Pesquisadores da Universidade Estadual da Pensilvânia lideraram um grupo de estudo que descobriu que melhorias inovadoras em materiais clássicos podem impulsionar significativamente o desenvolvimento da computação quântica e contribuir para maior eficiência energética em data centers modernos. O co-primeiro autor do estudo, Gopalan, apontou que os novos materiais aumentam em mais de dez vezes a velocidade de conversão de elétrons de sinal em fótons de sinal em baixas temperaturas, característica crucial para tecnologias quânticas baseadas em circuitos supercondutores.

1 / 1a) Valores da polarização Px no plano obtidos por simulação de campo de fase variando com a temperatura, refletindo o grau de distorção monoclínica. (Ilustração) Sob aplicação de campo a 1 K, o vetor de polarização da simulação de campo de fase mostra a susceptibilidade magnética da rede cristalina. b) Variação do sinal SHG com a temperatura sob ângulos de incidência θ = 0° e θ = 45°, com polarização de entrada φ na direção 0°. c) Medições de polarização SHG a θ = 45° e temperaturas de 300, 50 e 8 K, indicando simetria tetragonal 4mm acima de 50 K e simetria monoclínica m abaixo de 50 K. Linhas sólidas representam ajuste teórico.

Operações em baixas temperaturas são condições essenciais para tecnologias quânticas supercondutoras; entretanto, a transmissão de informações entre computadores quânticos de longa distância depende de sinais ópticos. Fibras ópticas tradicionais em temperatura ambiente podem atender a esse objetivo, possibilitando a construção de redes quânticas reais. Conversores eletro-ópticos eficientes têm grande potencial de aplicação em data centers, apoiando múltiplas funções, desde inteligência artificial até serviços online. O consumo energético dos data centers é elevado, especialmente nos sistemas de refrigeração, enquanto links ópticos transmitem informações por fótons, evitando o calor gerado pela transmissão eletrônica, aumentando significativamente a eficiência energética.

O co-primeiro autor do estudo, assistente de pesquisa Aiden Ross, afirmou: "Para grandes data centers que processam e transmitem enormes volumes de dados, a integração de tecnologias fotônicas se torna cada vez mais atraente, especialmente com a rápida aplicação de ferramentas de inteligência artificial." A equipe, por métodos inovadores, transformou titanato de bário em filmes ultrafinos e forçou os átomos a novas posições, formando estruturas metaestáveis. Essas estruturas não apenas evitam a degradação do desempenho eletro-óptico em baixas temperaturas, como também exibem respostas excepcionais.

O candidato a doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais, Albert Suchcava, explicou que estados metaestáveis são estruturas cristalinas que não correspondem ao estado natural de menor energia, existindo graças ao tratamento especial aplicado pelos pesquisadores. Esse tratamento permite que o material aceite novas estruturas, permanecendo estável pelo menos até ser perturbado. Essa descoberta oferece novas perspectivas para a economia de energia em data centers e resolve desafios de transmissão de informações em longas distâncias na computação quântica. Atualmente, sinais de micro-ondas se atenuam rapidamente em longas distâncias, enquanto sinais ópticos são mais adequados para transmissões longas.

Outro co-primeiro autor do estudo, Sankalpa Hazra, observou que o método de filmes finos de titanato de bário sob tensão é universal e aplicável a diversos materiais. A equipe pretende expandir a pesquisa além do titanato de bário, explorando o potencial de outros materiais. Gopalan acrescentou: "Agora compreendemos melhor essa estratégia de design e esperamos aplicar o mesmo método a sistemas materiais menos estudados."