Efeito quântico possibilita codificar mais informações em microchip

Esquema mostra o guia de onda no microchip de silício. O confinamento da luz em uma região muito pequena impõe restrições à sua propagação nas direções transversais ao eixo do guia, o que define diferentes modos espaciais possíveis para a onda luminosa. Variando a geometria interna, é possível obter vários modos espaciais da onda, várias transições de um modo para o outro e, assim, codificar, para apenas um par de fótons, uma grande quantidade de informação (imagem: Nature Communications)

A ideia de utilizar efeitos da mecânica quântica em tecnologia da informação começou a ser levada a sério na década de 1970. E ganhou corpo quando, no início dos anos 1980, um cientista carismático como o físico norte-americano Richard Feynman (1918 – 1988) pronunciou-se favoravelmente sobre a possibilidade do computador quântico. Em janeiro de 2017, um artigo publicado em Nature especulou que, com a participação de corporações gigantes como Google e Microsoft, o computador quântico esteja finalmente pronto para sair do laboratório este ano: Quantum computers ready to leap out of the lab in 2017.

No intervalo de tempo entre o veredicto de Feynman e a promessa veiculada em Nature, muito se avançou em ciência e tecnologia. Um estudo divulgado em janeiro deste ano aportou nova contribuição nesse sentido. Trata-se da possibilidade de tirar partido de um fenômeno de interferência luminosa tipicamente quântico para codificar mais informações em microchips de silício. A pesquisa foi conduzida pelo grupo de Michal Lipson na Cornell University com a colaboração de Paulo Nussenzveig, professor titular do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP).

Os resultados foram comunicados no artigo Quantum interference between transverse spatial waveguide modes, publicado no periódico Nature Communications. Nussenzveig participou do estudo no âmbito do Projeto Temático “Explorando informação quântica com átomos, cristais e chips”, coordenado por Marcelo Martinelli e apoiado pela FAPESP.

“Minha interação com o grupo visa explorar efeitos quânticos resultantes da integração de processamento eletrônico e comunicação fotônica em microchips de silício”, disse Nussenzveig à Agência FAPESP.

No estudo em pauta, o efeito explorado foi a interferência luminosa chamada de Hong-Ou-Mandel (HOM). Descoberta em 1987 por Chung Ki Hong, Zhe Yu Ou e Leonard Mandel, essa interferência ocorre quando dois fótons indistinguíveis incidem sobre um vidro 50% transmissor e 50% refletor, um de cada lado do vidro.

Nesse caso, quatro situações são idealmente possíveis (conforme a figura a seguir): 1) o fóton que vem de cima é refletido e o fóton que vem de baixo é transmitido; 2) ambos os fótons são transmitidos; 3) ambos os fótons são refletidos; 4) o fóton que vem de cima é transmitido e o fóton que vem de baixo é refletido.

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O efeito quântico, descrito pelas chamadas Regras de Feynman, faz com que as situações (2) e (3) se anulem por interferência quântica destrutiva, de modo que o quadro resultante é ou bem os dois fótons saírem para cima (1) ou bem os dois fótons saírem para baixo (4), mas nunca um fóton para cada lado.

“Trata-se de um típico efeito quântico, pois conjuga no mesmo fenômeno um aspecto ondulatório (a interferência) e um aspecto corpuscular (a contagem de dois fótons discretos). O desvio do par de fótons para um lado ou para o outro pode ser considerado um bit de informação”, comentou Nussenzveig.

Experimentos com interferometria HOM tornaram-se quase corriqueiros em óptica quântica ao longo dos anos 1990 e 2000. A grande novidade trazida pelo presente estudo foi confinar o fenômeno no microchip, substituindo, com grande vantagem, o vidro parcialmente transmissor e parcialmente refletor por um guia de onda microscópico, cuidadosamente fabricado.

“O confinamento da luz em uma região muito pequena impõe restrições à sua propagação. A luz propaga-se livremente na direção longitudinal, isto é, ao longo do eixo do guia de onda. Porém as propagações nas direções transversais ao eixo são afetadas devido à reflexão da luz pelas paredes do guia. Dependendo do comprimento de onda da luz e das dimensões do guia, pode ocorrer, também por efeito de interferência, aumento ou diminuição da intensidade da onda luminosa nas direções transversais. Isso define diferentes modos espaciais possíveis para a onda”, informou o pesquisador.

Variando a geometria interna do guia, é possível obter vários modos espaciais da onda e várias transições de um modo para o outro. Assim, o guia de onda desempenha uma função equivalente à do interferômetro HOM, mas possibilita codificar, para apenas um par de fótons, uma quantidade muito maior de informação. E esta é uma questão crucial para qualquer tipo de processador ou sensor: codificar o máximo de informação no mínimo de espaço.

“O aparato, construído em nitreto de silício, é alimentado por uma fonte de luz especial, constituída por fótons gêmeos. Para obtê-la, utiliza-se um cristal não linear que converte os fótons individuais do feixe que ilumina o cristal em pares de fótons. Como a energia se conserva, e as frequências da radiação eletromagnética dependem da energia, a soma das frequências dos dois fótons produzidos é igual à frequência do fóton original. Isso garante que dois fótons indistinguíveis cheguem simultaneamente ao guia de onda, um em cada um dos modos transversos. Na saída, dois detectores distintos asseguram que o efeito observado tenha sido realmente produzido pelos dois fótons”, explicou Nussenzveig.

O interesse de uma estrutura assim é codificar mais informação por fóton do que um único bit. Vários grupos, inclusive no Brasil, trabalham com esse intuito, codificando informação por meio do momento angular orbital da luz. Mas isso é feito em espaço livre, sobre a mesa do laboratório. A compactação no microchip aumenta a viabilidade de utilização tecnológica.

“A primeira parte do artigo mostrou que esse efeito de interferência ocorre de maneira eficiente e controlável. A segunda apresentou a prova de princípio das múltiplas possibilidades de aplicação da interferometria baseada nos estados de dois fótons. Medições mais sensíveis em metrologia, sensores térmicos, dispositivos para aferir a pureza de materiais são alguns eventuais desdobramentos tecnológicos. Mas entre a prova de princípio e a fabricação de um dispositivo há um caminho a percorrer”, ponderou o pesquisador.

O esforço para integrar óptica quântica à eletrônica é algo que já vem ocorrendo há algum tempo. A originalidade do estudo foi demonstrar que é possível usar os modos transversos dos guias de onda como codificadores de informação. E, multiplicando os modos transversos, agregar cada vez mais informação, na escala do microchip.

Outra peculiaridade do estudo diz respeito à própria composição do grupo de pesquisa. Nele, há jovens pesquisadores, homens e mulheres, de origem indiana, chinesa ou europeia, liderados por uma experiente cientista israelense com a colaboração de um experiente cientista brasileiro.

Esse caráter multinacional, multigênero e multietário é uma forte marca da ciência contemporânea. Tempos atrás, não seria necessário ressaltar tal característica. Mas, no contexto atual, é relevante saber quem faz ciência nos centros de excelência dos Estados Unidos.

Filha do físico norte-americano Reuven Opher, professor titular do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP), a israelense Michal Lipson mantém estreita colaboração com pesquisadores da Universidade de São Paulo, onde fez parte de seu curso de graduação. Seu grupo, inicialmente sediado em Cornell e agora na Columbia University, é considerado líder em nanofotônica em silício.

Também Paulo Nussenzveig provém de uma família com vários cientistas de renome, entre eles, seu pai, o físico Herch Moysés Nussenzveig. Formado em Física na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-RJ), Paulo Nussenzveig doutorou-se em Física Quântica na Université de Paris VI (Pierre et Marie Curie). Desde 1996, atua como professor no Departamento de Física Experimental do IF-USP. 

Agência Fapesp