Uma equipa da Universidade de Boston, UC Berkeley e da Universidade Northwestern desenvolveu um sistema integrado que combina componentes electrónicos, fotónicos e quânticos num único chip. De acordo com um novo estudo publicado na Nature Electronics, este é o primeiro dispositivo deste tipo no campo da computação quântica. O trabalho da equipa apresenta um método para a produção em massa de “fábricas de luz quântica” usando os mesmos processos de fabrico dos semicondutores comuns, empregados em dispositivos electrónicos convencionais.
O novo chip integra fontes de luz quântica e controladores electrónicos usando um processo de fabrico padrão de 45 nanómetros. Esta abordagem abre caminho para uma produção em grande escala de sistemas quânticos para computação, comunicação e detecção, campos que tradicionalmente dependiam de dispositivos construídos à mão, confinados a ambientes de laboratório.
“A computação quântica, a comunicação e a detecção estão num caminho de décadas para passarem de conceito a realidade”, disse Miloš Popović, professor associado de engenharia eléctrica e informática na Universidade de Boston e um dos autores do estudo. “Este é um pequeno passo nesse caminho – mas importante, porque mostra que podemos construir sistemas quânticos repetíveis e controláveis em fundições de semicondutores comerciais.”
O chip no centro do estudo funciona como uma série de fontes de luz quântica conhecidas como ‘ressonadores microring’. Cada um destes dispositivos circulares que têm menos de um milímetro de diâmetro, pode gerar pares de fotões estreitamente correlacionados, um recurso crucial para operações quânticas.
Os ‘ressonadores microring’ operam sincronizando-se com a luz laser de entrada, mas o seu desempenho é muito sensível a flutuações mínimas de temperatura ou variações de fabrico – factores que podem facilmente perturbar os delicados processos quânticos que suportam.
Para fazer face a estes desafios, os investigadores desenvolveram um sistema de controlo integrado capaz de estabilizar os ‘ressonadores microring’ em tempo real. O chip inclui 12 ressonadores que podem operar em paralelo, cada um monitorizado por foto díodos embutidos que rastreiam o alinhamento com o laser. Aquecedores e circuitos lógicos integrados no chip ajustam automaticamente os ressonadores sempre que as mudanças de temperatura ou outras perturbações ameaçam o seu desempenho.
O foco na estabilização é essencial para garantir que cada fonte de luz funcione de forma fiável sob as mais variadas condições. Imbert Wang, estudante de doutoramento na Universidade de Boston, especialista em design de dispositivos fotónicos, destacou a complexidade técnica.
“Um desafio fundamental em relação ao nosso trabalho anterior foi levar o design da fotónica a satisfazer os exigentes requisitos da óptica quântica, mantendo-se dentro das rigorosas restrições de uma plataforma CMOS comercial. Isso permitiu o design da electrónica e da óptica quântica como um sistema unificado.”
Ao alcançar um controlo de feedback apertado sobre cada fonte de luz, o chip pode manter um desempenho consistente, apesar das flutuações de temperatura ou pequenas variações de fabrico. Todo o dispositivo foi fabricado usando um processo de fabrico de semicondutores de óxido metálico e foi desenvolvido em colaboração com parceiros da indústria, como a GlobalFoundries e a startup Ayar Labs, baseada em Silicon Valley.
O projecto exigiu uma profunda colaboração interdisciplinar. “O tipo de colaboração interdisciplinar que este trabalho exigiu é exactamente o que é necessário para mover os sistemas quânticos do laboratório para plataformas escaláveis”, diz Prem Kumar, professor na Northwestern e pioneiro em óptica quântica. “Não poderíamos ter feito isto sem os esforços combinados em electrónica, fotónica e medição quântica.”
