Computadores quânticos: torcer nitreto de boro hexagonal para ajustar emissores quânticos

Os computadores quânticos exigem fontes de luz que se comportem todas da mesma forma, de modo rigorosamente idêntico - algo que, na prática, é bastante difícil de conseguir.

Essas fontes são criadas por defeitos minúsculos que surgem espontaneamente no interior de cristais. O problema é que cada defeito acaba por emitir luz com uma tonalidade ligeiramente diferente.

Depois de o defeito se formar, quase não há forma de alterar a sua “cor”, o que complica muito a tarefa de ligar grandes quantidades destes emissores num único dispositivo quântico.

Foi precisamente aqui que investigadores em Sydney encontraram uma alternativa inesperadamente simples.

Em vez de tentarem modificar os emissores, separaram um cristal ultrafino em camadas, rodaram uma delas e observaram a cor da luz deslocar-se muito mais do que se antecipava.

Porque é que os emissores não coincidem

Estas fontes de luz são emissores quânticos - imperfeições à escala atómica num cristal que libertam uma única partícula de luz quando excitadas por um laser.

Essas partículas individuais são a “moeda” operacional tanto da computação quântica como de técnicas de deteção extremamente sensíveis.

A dificuldade central é o controlo. Em cristais rígidos, como o diamante, cada emissor fica preso dentro de um bloco sólido e a sua cor fica determinada no instante em que aparece.

Por isso, mesmo dois emissores quase iguais podem brilhar com tonalidades ligeiramente diferentes, sem um método viável para os voltar a alinhar. Esta falta de correspondência é o maior obstáculo a integrar muitos emissores na mesma máquina.

O Dr. Angus Gale, que liderou o estudo na Universidade de Tecnologia de Sydney (UTS), trabalha num material que pode contornar esta limitação. O seu laboratório ajudou a desenvolvê-lo em trabalhos anteriores, há cerca de uma década.

Construído a partir de camadas atómicas

O material em causa é o nitreto de boro hexagonal. Ao contrário de um bloco compacto, trata-se de uma pilha de folhas com a espessura de um átomo, tão fracamente unidas que é possível separá-las, deslizar uma sobre a outra e voltar a empilhá-las sem partir nada.

O diamante não permite essa liberdade: os seus átomos estão presos por ligações fortes, o que faz com que o dispositivo final fique “congelado” e qualquer defeito interno permaneça como nasceu. Foi essa estrutura laminada e solta que deu margem de manobra à equipa.

Uma única folha, por si só, pouco faz. O comportamento relevante aparece na interface entre duas folhas. A forma como os átomos se alinham depende do ângulo da camada superior e, ao rodá-la, altera-se o padrão local em torno de um emissor enterrado.

Mudar a luz ao torcer camadas

Ajustar o ângulo entre camadas empilhadas com apenas alguns átomos de espessura tornou-se uma área própria, conhecida como twistrónica.

Se duas camadas planas ficarem alinhadas de uma certa maneira, quase não interagem. Mas basta alterar ligeiramente o ângulo para que o conjunto passe a comportar-se como um material novo.

A ideia ganhou grande destaque em 2018, quando físicos descobriram que duas camadas de grafeno desencontradas por cerca de 1 grau passavam subitamente a conduzir eletricidade sem resistência - um resultado descrito num estudo. A equipa de Gale aplicou o mesmo princípio, mas deslocando-o do domínio da eletricidade para o da luz.

Antes de mexerem no sistema, modelos já indicavam que rodar a camada superior devia deslocar a luz emitida. Em seguida, construíram o dispositivo e verificaram-no experimentalmente.

Ao torcer as camadas, a luz emitida deslocou-se em mais de 30 nanómetros, uma mudança de cor clara que os investigadores atribuem ao modo como a rotação reorganiza o empilhamento em torno de cada defeito.

Alterar repetidamente, vez após vez

É aqui que o estudo se afasta do que é habitual. Em quase todas as experiências deste tipo, os cientistas escolhem um único ângulo de torção durante a montagem e deixam-no fixo, porque as peças não foram pensadas para voltar a separar-se.

O grupo de Gale fez o contrário. Ergueram a camada superior, rodaram-na, pousaram-na, mediram a luz e repetiram o ciclo muitas vezes, obtendo uma cor diferente em cada iteração.

Até agora, ninguém tinha demonstrado um controlo tão repetível e tão direto sobre um emissor individual.

A amplitude da mudança também os surpreendeu. Métodos anteriores baseados em esticar o cristal deslocavam a luz apenas cerca de 2/3 dessa distância - e esse estiramento era permanente.

Com esta abordagem, o deslocamento foi maior e, além disso, pôde ser repetido vezes sem conta.

“Frequentemente, quando se controlam estes sistemas, a margem de manipulação é muito limitada, mas neste caso o desvio foi muito maior do que o esperado”, disse Gale.

Essa repetibilidade transforma uma decisão única de fabrico num ajuste reutilizável, semelhante a um botão de afinação.

Os próximos desafios de engenharia

Apesar do avanço, ainda não existe um dispositivo pronto a usar. Por agora, a equipa demonstrou o conceito num ambiente de bancada, e ainda há uma distância considerável até uma máquina quântica que se possa simplesmente ligar.

Um dos desafios é posicionar os emissores com precisão. Atualmente, os investigadores conseguem colocar um defeito apenas até cerca de 250 nanómetros do alvo.

Também continua a ser difícil produzir grandes grelhas fiáveis destes defeitos, embora trabalhos iniciais já tenham mostrado que isso é possível.

O tempo é outro limite. Cada emissor mantém o seu estado quântico frágil apenas durante cerca de 2 milionésimos de segundo antes de se perder - muito menos do que no diamante.

Além disso, ainda falta resolver como alimentar estas fontes de forma limpa para dentro das minúsculas cavidades que encaminham a luz num chip.

Um caminho para computadores quânticos

Mesmo assim, o benefício potencial é concreto. Construir um computador quântico baseado em luz implica fazer com que muitos emissores gerem partículas verdadeiramente idênticas.

Um único emissor fora de especificação pode obrigar os engenheiros a deitar fora um dispositivo e recomeçar. Isso é caro e acontece com frequência.

Uma torção reutilizável poderá, em vez disso, rodar um emissor “desafinado” até o pôr novamente em linha, fazendo-o coincidir com os restantes no mesmo chip.

O Professor Igor Aharonovich, o físico sénior do projeto, considera que a vantagem se estende a sensores médicos, comunicações seguras e posicionamento mais preciso.

“Pode pegar em duas camadas que, isoladamente, não fazem grande coisa, juntá-las num ângulo específico e, de repente, ter um sistema completamente diferente”, afirmou.

Segundo ele, o atrativo está no que um pequeno ajuste consegue desbloquear. Até agora, a cor de um emissor quântico ficava praticamente definida assim que o dispositivo era fabricado.

Este trabalho apresenta uma forma reutilizável de afinar essa cor após o fabrico, ajudando a ultrapassar um grande entrave à criação de sistemas quânticos maiores e aproximando um pouco mais as tecnologias quânticas práticas.