A construção da Internet quântica poderia ser significativamente simplificada aproveitando as tecnologias e infraestruturas de telecomunicações existentes. Nos últimos anos, os investigadores identificaram defeitos no silício – um material semicondutor amplamente utilizado – que têm o potencial de transmitir e armazenar informações quânticas através dos comprimentos de onda predominantes das telecomunicações. Esses defeitos de silício podem ser os principais candidatos para hospedar qubits para comunicações quânticas eficientes.

Explorando defeitos quânticos no silício

“Ainda há um Velho Oeste lá fora”, disse Evelyn Hu, professora de Física Aplicada e de Física da Tarr-Coyne. Engenharia elétrica na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS). “Mesmo que novos defeitos candidatos sejam uma plataforma de memória quântica promissora, muitas vezes não se sabe quase nada sobre por que certas receitas são usadas para criá-los e como você pode caracterizá-los rapidamente e suas interações, mesmo em conjuntos. E, em última análise, como podemos ajustar o seu comportamento para que exibam características idênticas? Se quisermos transformar este vasto mundo de possibilidades numa tecnologia, devemos ter formas de caracterizá-las melhor, mais rapidamente e mais eficientemente.”

Agora, Hu e uma equipe de pesquisadores desenvolveram uma plataforma para sondar, interagir e controlar esses sistemas quânticos potencialmente poderosos. O dispositivo usa um diodo elétrico simples, um dos componentes mais comuns em chips semicondutores, para manipular qubits dentro de um wafer de silício comercial. Usando este dispositivo, os pesquisadores puderam explorar como o defeito responde às mudanças no campo elétrico, sintonizar seu comprimento de onda dentro da banda de telecomunicações e até mesmo ligá-lo e desligá-lo.

“Se quisermos transformar este vasto mundo de possibilidades numa tecnologia, devemos ter formas de caracterizá-las melhor, mais rapidamente e mais eficientemente.”

– Evelyn Hu, Professora Tarr-Coyne de Física Aplicada e de Engenharia Elétrica

Aproveitando defeitos para comunicações quânticas

“Uma das coisas mais interessantes sobre ter esses defeitos no silício é que você pode usar dispositivos bem conhecidos, como diodos, neste material familiar para entender um sistema quântico totalmente novo e fazer algo novo com ele”, disse Aaron Day, Ph. D. candidato no SEAS. Day co-liderou o trabalho com Madison Sutula, pesquisadora em Harvard.

Embora a equipe de pesquisa tenha usado essa abordagem para caracterizar defeitos no silício, ela poderia ser usada como uma ferramenta de diagnóstico e controle para defeitos em outros sistemas de materiais.

A pesquisa está publicada em Nature Communications.

Emissores quânticos e aplicações de rede

Defeitos quânticos, também conhecidos como centros de cores ou emissores quânticos, são imperfeições em redes cristalinas perfeitas que podem capturar elétrons únicos. Quando esses elétrons são atingidos por um laser, eles emitem fótons em comprimentos de onda específicos. Os defeitos no silício que mais interessam aos pesquisadores para comunicações quânticas são conhecidos como centros G e centros T. Quando esses defeitos prendem elétrons, os elétrons emitem fótons em um comprimento de onda chamado banda O, que é amplamente utilizado em telecomunicações.

Nesta pesquisa, a equipe se concentrou nos defeitos do centro G. A primeira coisa que eles precisavam descobrir era como fazê-los. Ao contrário de outros tipos de defeitos, nos quais um átomo ( Um átomo é o menor componente de um elemento. É composto de prótons e nêutrons dentro do núcleo e elétrons circulando o núcleo.) é removido de uma rede cristalina, os defeitos do centro G são produzidos pela adição de átomos à rede, especificamente carbono. Mas Hu, Day e o resto da equipe de pesquisa descobriram que a adição de átomos de hidrogênio também é crítica para a formação consistente do defeito.

Desenvolvimento de ferramentas para redes quânticas

Em seguida, os pesquisadores fabricaram diodos elétricos usando uma nova abordagem que coloca o defeito no centro de cada dispositivo de maneira ideal, sem degradar o desempenho do defeito ou do diodo. O método de fabricação pode criar centenas de dispositivos com defeitos incorporados em um wafer comercial. Conectando todo o dispositivo para aplicar uma tensão, ou campo elétrico, a equipe descobriu que quando uma tensão negativa era aplicada ao dispositivo, os defeitos desligavam e escurecevam.

“Entender quando uma mudança no ambiente leva a uma perda de sinal é importante para a engenharia de sistemas estáveis ​​em aplicações de rede”, disse Day,

Os pesquisadores também descobriram que, usando um campo elétrico local, eles poderiam sintonizar os comprimentos de onda emitidos pelo defeito, o que é importante para redes quânticas quando sistemas quânticos díspares precisam ser alinhados.

A equipe também desenvolveu uma ferramenta de diagnóstico para visualizar como os milhões de defeitos incorporados no dispositivo mudam no espaço à medida que o campo elétrico é aplicado.

Direções Futuras e Potencial Comercial

“Descobrimos que a forma como modificamos o ambiente elétrico para os defeitos tem um perfil espacial, e podemos imaginá-lo diretamente observando as mudanças na intensidade da luz emitida pelos defeitos”, disse Day. “Ao utilizar tantos emissores e obter estatísticas sobre o seu desempenho, temos agora uma boa compreensão de como os defeitos respondem às mudanças no seu ambiente. Podemos usar essas informações para informar como construir os melhores ambientes para esses defeitos em dispositivos futuros. Temos uma melhor compreensão do que torna esses defeitos felizes e infelizes.”

A seguir, a equipe pretende usar as mesmas técnicas para compreender os defeitos do centro T no silício.

Referência: “Manipulação elétrica de centros de cores de telecomunicações em silício” por Aaron M. Day, Madison Sutula, Jonathan R. Dietz, Alexander Raun, Denis D. Sukachev, Mihir K. Bhaskar e Evelyn L. Hu, 3 de junho de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48968-w

A pesquisa foi coautoria de Sutula, Jonathan R. Dietz, Alexander Raun do SEAS e dos cientistas pesquisadores da AWS Denis D. Sukachev e Mihir K. Bhaskar.

Este trabalho foi apoiado pelo AWS Center for Quantum Networking e pela Harvard Quantum Initiative. O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard protegeu a propriedade intelectual associada a este projeto e está buscando oportunidades de comercialização.