A eletrônica quântica representa um afastamento significativo da eletrônica convencional. Nos sistemas tradicionais, a memória é armazenada em dígitos binários. Em contraste, a eletrônica quântica utiliza qubits para armazenamento, que podem assumir várias formas, incluindo elétrons presos em nanoestruturas conhecidas como pontos quânticos. No entanto, a capacidade de transmitir informações além do ponto quântico adjacente representa um desafio substancial, limitando assim as possibilidades de design para qubits.

Agora, em um estudo publicado recentemente em Cartas de revisão física, pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio estão resolvendo este problema: eles desenvolveram uma nova tecnologia para transmitir informações quânticas, talvez em dezenas a cem micrômetros. Este avanço poderia melhorar a funcionalidade da próxima eletrônica quântica.

O Mecanismo de Transmissão

Como os pesquisadores podem transmitir informações quânticas, de um ponto quântico para outro, no mesmo chip de computador quântico? Uma maneira poderia ser converter informações de elétrons (matéria) em informações de luz (ondas eletromagnéticas): gerando estados híbridos luz-matéria. Trabalhos anteriores foram incompatíveis com as necessidades de um elétron no processamento de informações quânticas. Melhorar a transmissão de informações quânticas em alta velocidade de uma forma que seja mais flexível no design e compatível com as ferramentas de fabricação de semicondutores disponíveis foi atualmente o objetivo do estudo da equipe de pesquisa.

“Em nosso trabalho, acoplamos alguns elétrons no ponto quântico a um circuito elétrico conhecido como ressonador de anel dividido de tera-hertz”, explica Kazuyuki Kuroyama, principal autor do estudo. “O design é simples e adequado para integração em larga escala.”

Trabalhos anteriores basearam-se no acoplamento do ressonador com um conjunto de milhares a dezenas de milhares de elétrons. Na verdade, a força do acoplamento é baseada no grande tamanho deste conjunto. Em contraste, o presente sistema confina apenas alguns elétrons, o que é adequado para o processamento de informação quântica. No entanto, tanto os elétrons quanto as ondas eletromagnéticas tera-hertz estão confinados a uma área ultra pequena. Portanto, a força do acoplamento é comparável em força à dos sistemas de muitos elétrons.

“Estamos entusiasmados porque usamos estruturas que são difundidas em nanotecnologia avançada – e são comumente integradas na fabricação de semicondutores – para ajudar a resolver um problema prático de transmissão de informação quântica”, disse Kazuhiko Hirakawa, autor sênior. “Também esperamos aplicar nossas descobertas à compreensão da física fundamental dos estados acoplados luz-elétron.”

Este trabalho é um passo importante na resolução de um problema anteriormente incômodo na transmissão de informações quânticas que tem aplicações limitadas de descobertas laboratoriais. Além disso, essa interconversão luz-matéria é considerada uma das arquiteturas essenciais para computadores quânticos de grande escala baseados em pontos quânticos semicondutores. Como os resultados dos pesquisadores são baseados em materiais e procedimentos comuns na fabricação de semicondutores, a implementação prática deve ser simples.

Referência: “Interação coerente de um ponto quântico de poucos elétrons com um ressonador óptico Tera-hertz” por Kazuyuki Kuroyama, Jinkwan Kwoen, Yasuhiko Arakawa e Kazuhiko Hirakawa, 9 de fevereiro de 2024. Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.066901