Computadores quânticos, como qualquer um que já tenha cotado um sabe, são um saco. Eles exigem temperaturas próximas do zero absoluto (-459°F), que é mais ou menos a temperatura do espaço profundo e, coincidentemente, a temperatura da paciência da maioria das pessoas com a tecnologia. Mas pesquisadores da Universidade de Stanford desenvolveram um dispositivo óptico em nanoescala que funciona à temperatura ambiente, ligando as propriedades quânticas da luz e dos elétrons. Isso pode levar a tecnologias quânticas menores e mais baratas que realmente possam transmitir informações por longas distâncias sem precisar de uma instalação criogênica.
O dispositivo permite o entrelaçamento entre fótons (partículas de luz) e elétrons, um requisito fundamental para a comunicação quântica. Jennifer Dionne, professora de ciência e engenharia de materiais em Stanford e autora sênior do estudo publicado na Nature Communications, observa que o material não é novo, mas a forma como estão usando é. "Ele fornece uma conexão de spin muito versátil e estável entre elétrons e fótons, que é a base teórica da comunicação quântica", diz ela. "No entanto, normalmente os elétrons perdem seu spin rápido demais para serem úteis." Então eles consertaram isso.
O aparelho combina uma fina camada padronizada de disseleneto de molibdênio (MoSe2) com um substrato de silício nanopadronizado. O disseleneto de molibdênio faz parte de uma família chamada dicalcogenetos de metais de transição (TMDCs), que são valorizados por suas propriedades ópticas e quânticas. As nanoestruturas de silício geram o que os pesquisadores chamam de "luz torcida". Feng Pan, pós-doutorando e primeiro autor do artigo, explica: "Os fótons giram em um movimento de saca-rolhas, mas mais importante, podemos usar esses fótons giratórios para transmitir spin aos elétrons, que são o coração da computação quântica." Então é basicamente um torcedor de luz muito pequeno e muito preciso.
As nanoestruturas padronizadas têm aproximadamente o tamanho dos comprimentos de onda da luz visível — invisíveis a olho nu, mas cruciais para manipular os fótons para girar para cima ou para baixo. Essa luz torcida pode se entrelaçar com os spins dos elétrons, criando qubits, os blocos de construção da informação quântica. Na computação convencional, são zeros e uns; na quântica, os qubits exploram efeitos quânticos para fazer as coisas de forma diferente. O grande obstáculo tem sido a decoerência — a perda de informação quântica — que geralmente requer resfriamento extremo para ser evitada. Este dispositivo contorna isso operando à temperatura ambiente, tornando-o relativamente barato e prático.
Se for mais desenvolvida, a tecnologia pode impulsionar comunicações seguras, sensoriamento avançado, computação de alto desempenho e inteligência artificial. A equipe escolheu materiais TMDC por suas características quânticas incomuns, colaborando com os pesquisadores de Stanford Fang Liu e Tony Heinz, especialistas nesses materiais. "Tudo se resume a este material e ao nosso chip de silício", diz Pan. "Juntos, eles confinam e amplificam eficientemente a torção da luz para criar um forte acoplamento de spin entre fótons e elétrons. Isso estabiliza o estado quântico que torna a comunicação quântica possível."
Os pesquisadores continuam a melhorar o dispositivo, explorando materiais TMDC adicionais e combinações para melhor desempenho. Eles também estão investigando se esses sistemas podem desbloquear novas capacidades quânticas atualmente impossíveis à temperatura ambiente. Um objetivo de longo prazo é integrar tais dispositivos em redes quânticas maiores, exigindo melhorias em fontes de luz, moduladores, detectores e interconexões. Em última análise, esperam que componentes quânticos possam ser miniaturizados para eletrônicos do dia a dia. "Se conseguirmos fazer isso, talvez um dia possamos fazer computação quântica em um celular", diz Pan com um sorriso. "Mas isso é um plano de mais de 10 anos." Então não prenda a respiração, mas talvez comece a planejar um telefone muito mais legal.