Materiais ultrafinos podem tornar circuitos de luz quântica programáveis
pelo Centro de Excelência ARC para Sistemas Meta-Ópticos Transformativos (TMOS)
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A fotônica quântica pode ser uma parte fundamental da futura tecnologia quântica se os materiais certos puderem ser criados, descobriu um novo artigo de revisão.
A fotônica oferece uma abordagem para o desenvolvimento de tecnologia quântica usando luz. Os autores acreditam que uma plataforma fotônica programável poderia permitir tecnologias como redes neurais quânticas e computação quântica distribuída.
Muitos componentes fotônicos já existem e podem ser integrados em um único chip de silício. O desafio é juntá-los de uma forma que possa ser manipulada de forma eficiente. A tecnologia de hoje é principalmente consertada depois de fabricada.
A revisão foi realizada por cientistas do Centro de Excelência para Sistemas Meta-Ópticos Transformativos (TMOS) da ARC, liderados pelo diretor Dragomir Neshev.
"Sistemas fotônicos quânticos programáveis são um importante desenvolvimento futuro para o centro", disse Neshev, que também trabalha no Departamento de Engenharia de Materiais Eletrônicos. "Fizemos contribuições fortes e é importante unirmos esses pontos fortes."
A revisão foi publicada na Nature Photonics. Seus autores são Igor Aharonovich da University of Technology Sydney, Ken Crozier da University of Melbourne e Neshev.
Os autores prevêem uma nova geração de dispositivos quânticos programáveis, em contraste com dispositivos difundidos que usam propriedades quânticas estáticas, como lasers e transistores. Essa mudança é conhecida como a segunda revolução quântica.
Várias plataformas tecnológicas estão competindo por partes do futuro mercado quântico. Os autores destacam que a fotônica oferece vantagens porque os fótons têm baixa decoerência e podem transportar informações codificadas em estados quânticos multidimensionais.
“Os circuitos quânticos programáveis desempenharão um papel fundamental na transição da óptica quântica de demonstrações de prova de conceito para soluções tecnológicas robustas para a segunda revolução quântica”, disseram.
"No entanto, permanece um elo perdido para o objetivo da fotônica quântica programável: multifuncionalidade. Para muitas aplicações, é necessário um sistema que possa executar múltiplas funções, o que requer que vários componentes sejam reconfigurados simultaneamente.
“Por exemplo, seria possível alterar o comprimento de onda da fonte, bem como sua polarização e encaminhar os fótons emitidos para diferentes detectores?”
A revisão abrange os principais elementos programáveis, começando com fontes de luz quântica sintonizáveis. Estes devem criar fótons emaranhados e controlar a estrutura da luz. Isso significa controlar não apenas a frequência, mas também a amplitude, a fase e a polarização, permitindo estados exóticos como vórtices quânticos e feixes vetoriais. Tais estados aumentariam significativamente as capacidades dos circuitos fotônicos.
Embora as fontes atuais mais difundidas utilizem processos não lineares, como a conversão paramétrica espontânea, os autores acreditam que as fontes de fóton único têm um potencial considerável.
Em particular, os cristais de van der Waals podem ser ajustados alterando a forma como as suas camadas constituintes são montadas ou torcidas. Foram desenvolvidos sistemas mecânicos microscópicos alimentados eletricamente que podem ajustar esses cristais e outros componentes do chip.
"É notável quanto controle é possível simplesmente mudando a forma como esses materiais ultrafinos são empilhados uns sobre os outros", disse Crozier.
"No entanto, os cristais de van der Waals ainda não competem com as principais fontes atuais, por exemplo, pontos quânticos e centros de cores, em termos de brilho, pureza de fótons e coerência: é necessário mais trabalho."
O próximo elemento-chave é a modulação dinâmica de componentes, um “bloco crítico” para a fotônica quântica programável. As abordagens tradicionais para manipular fase e frequência são volumosas, com perdas e lentas para mudar.
Embora uma série de soluções abordem estas desvantagens, nenhuma plataforma de material única cumpre todos os critérios essenciais: acoplamento eficiente de entrada e saída de energia; comutação de baixo consumo de energia, eficiente e ultrarrápida; e escalabilidade.
Os autores acreditam que os materiais 2D podem eventualmente ser versáteis o suficiente para atender a todos esses critérios.
“Essencialmente, todos os componentes de um futuro circuito quântico podem ser projetados usando componentes de materiais 2D”, disse Aharonovich.
"Os materiais bidimensionais são poderosos e possuem inúmeras funcionalidades. Eles permitem engenharia de bandgap, funcionalidades optoeletrônicas e não lineares e fontes de luz quântica.
"Esses novos materiais com funcionalidades de ajuste impressionantes poderiam fornecer um novo kit de ferramentas de controle."
Igor Aharonovich et al, Fotônica quântica integrada programável, Nature Photonics (2026). DOI: 10.1038/s41566-025-01830-x
Fornecido pelo Centro de Excelência ARC para Sistemas Meta-Ópticos Transformativos (TMOS)
Mestre em Inglês, editora desde 2021 com experiência em ensino superior e conteúdos de saúde. Dedicado a notícias científicas confiáveis. Perfil completo →
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