Igualmente importante é a forma como o dispositivo é fabricado. Em vez de depender de equipamentos de laboratório personalizados, os pesquisadores utilizaram métodos de fabricação escaláveis semelhantes àqueles que produzem os processadores encontrados em computadores, smartphones, veículos e eletrodomésticos — essencialmente qualquer tecnologia alimentada por eletricidade (até torradeiras). Essa abordagem torna o dispositivo muito mais prático para produção em larga escala.

Um Dispositivo Pequeno Construído para Escala do Mundo Real

A pesquisa foi liderada por Jake Freedman, um estudante de doutorado incoming no Departamento de Engenharia Elétrica, de Computação e de Energia, junto com Matt Eichenfield, professor e titular da Cátedra Karl Gustafson em Engenharia Quântica. A equipe também colaborou com cientistas do Laboratório Nacional Sandia, incluindo o coautor sênior Nils Otterstrom. Juntos, eles criaram um dispositivo que combina tamanho pequeno, alta performance e baixo custo, tornando-o adequado para produção em massa.

No coração da tecnologia estão vibrações em frequência de micro-ondas que oscilam bilhões de vezes por segundo. Estas vibrações permitem que o chip manipule a luz do laser com precisão notável.

Ao controlar diretamente a fase de um feixe de laser, o dispositivo pode gerar novas frequências de laser que são tanto estáveis quanto eficientes. Esse nível de controle é um requisito chave não apenas para a computação quântica, mas também para campos emergentes como sensoriamento quântico e redes quânticas.

Por que os Computadores Quânticos Precisam de Lasers Ultra-Precisos

Alguns dos designs de computação quântica mais promissores utilizam íons presos ou átomos neutros presos para armazenar informações. Nestes sistemas, cada átomo atua como um qubit. Os pesquisadores interagem com esses átomos direcionando feixes de laser cuidadosamente ajustados a eles, efetivamente dando instruções que permitem a realização de cálculos. Para que isso funcione, cada laser deve ser ajustado com extrema precisão, às vezes dentro de bilionésimos de porcento.

“Criar novas cópias de um laser com diferenças de frequência muito exatas é uma das ferramentas mais importantes para trabalhar com computadores quânticos baseados em átomos e íons,” disse Freedman. “Mas para fazer isso em escala, você precisa de tecnologia que possa gerar essas novas frequências de forma eficiente.”

Atualmente, esses ajustes de frequência precisos são produzidos usando grandes dispositivos de bancada que requerem uma potência de micro-ondas substancial. Embora eficazes para pequenos experimentos, esses sistemas são impráticos para o enorme número de canais ópticos necessários em futuros computadores quânticos.

“Você não vai construir um computador quântico com 100.000 moduladores eletro-ópticos volumosos sentados em um armazém cheio de mesas ópticas,” disse Eichenfield. “Você precisa de formas de fabricação muito mais escaláveis que não precisem ser montadas à mão e com longos caminhos ópticos. Enquanto isso, se você puder fazer tudo caber em alguns pequenos microchips e produzir 100 vezes menos calor, é muito mais provável que funcione.”

Menor Consumo de Energia, Menos Calor, Mais Qubits

O novo dispositivo gera deslocamentos de frequência do laser por meio de modulação de fase eficiente, utilizando cerca de 80 vezes menos potência de micro-ondas do que muitos moduladores comerciais existentes. Menor consumo de energia significa menos calor, o que permite que mais canais sejam empacotados de forma próxima, mesmo em um único chip.

Juntas, essas vantagens transformam o chip em um sistema escalável capaz de coordenar as interações precisas que os átomos precisam para realizar cálculos quânticos.

Construído com a Mesma Tecnologia que Microchips Modernos

Uma das realizações mais importantes do projeto é que o dispositivo foi fabricado inteiramente em uma instalação de fabricação, ou fab, o mesmo tipo de ambiente usado para produzir microeletrônica avançada.

“A fabricação CMOS é a tecnologia mais escalável que os humanos já inventaram,” disse Eichenfield.

“Cada chip microeletrônico em cada celular ou computador possui bilhões de transistores essencialmente idênticos. Portanto, usando a fabricação CMOS, no futuro, poderemos produzir milhares ou até milhões de versões idênticas de nossos dispositivos fotônicos, que é exatamente o que a computação quântica precisa.”

De acordo com Otterstrom, a equipe pegou tecnologias de moduladores que eram anteriormente volumosas, caras e intensivas em energia e as redesenhou para serem menores, mais eficientes e mais fáceis de integrar.

“Estamos ajudando a impulsionar a óptica em sua própria ‘revolução dos transistores’, afastando-se do equivalente óptico dos tubos de vácuo e em direção a tecnologias fotônicas integradas escaláveis,” disse Otterstrom.

Rumo a Chips Fotônicos Quânticos Totalmente Integrados

Os pesquisadores agora estão trabalhando em circuitos fotônicos totalmente integrados que combinam geração de frequência, filtragem e modelagem de pulsos em um único chip. Esse esforço aproxima o campo de uma plataforma fotônica quântica completa e operacional.

A próxima etapa da equipe é se associar a empresas de computação quântica para testar esses chips dentro de computadores quânticos avançados baseados em íons presos e átomos neutros presos.

“Esse dispositivo é uma das peças finais do quebra-cabeça,” disse Freedman. “Estamos nos aproximando de uma plataforma fotônica verdadeiramente escalável capaz de controlar um número muito grande de qubits.”

O projeto recebeu apoio do Departamento de Energia dos Estados Unidos por meio do programa Quantum Systems Accelerator, um Centro de Pesquisa de Ciência da Iniciativa Nacional Quântica.