Pesquisadores da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, desenvolveram um dispositivo de comunicação quântica em escala nanométrica que opera à temperatura ambiente. O dispositivo utiliza "luz distorcida" para conectar o spin do fóton ao spin do elétron, permitindo o entrelaçamento entre fótons e elétrons sem a necessidade de resfriamento criogênico, oferecendo um novo caminho experimental para a miniaturização de componentes de comunicação quântica.
Esta pesquisa aborda o desafio da dependência de baixas temperaturas na comunicação quântica. Muitos sistemas quânticos atuais exigem ambientes próximos ao zero absoluto para manter estados quânticos, e os equipamentos de resfriamento são volumosos e caros, limitando a integração de dispositivos quânticos em sistemas de comunicação e computação mais amplos. A equipe de Stanford construiu o dispositivo usando uma fina camada de dissulfeto de molibdênio sobre um substrato de silício nanoestruturado. As nanoestruturas de silício manipulam com precisão a luz, fazendo-a propagar-se de forma helicoidal e transferindo essa característica de spin para os elétrons. Os fótons são ideais para transmitir informações a longas distâncias, enquanto os elétrons são adequados para armazenar e processar informações dentro do chip; se for estabelecido um acoplamento estável entre eles, será possível transportar informações quânticas do link de comunicação para os dispositivos no chip.
O dissulfeto de molibdênio usado no dispositivo pertence à família dos dicalcogenetos de metais de transição, que possuem propriedades ópticas e quânticas favoráveis. A equipe de pesquisa utilizou nanoestruturas de silício para amplificar e confinar a luz distorcida, criando uma conexão mais forte entre o spin do fóton e o spin do elétron, estabilizando assim o estado quântico utilizável para comunicação. Para a comunicação quântica, a estabilidade do estado entrelaçado, a capacidade de formá-lo em dispositivos fabricáveis e a operação à temperatura ambiente influenciam o design subsequente do sistema.
A "luz distorcida" aqui não é apenas uma modelagem comum do feixe de luz, mas um campo de luz que carrega informações específicas de spin. As nanoestruturas permitem que os fótons girem em uma direção específica e associam esse estado de rotação ao spin dos elétrons no material. O estado dos qubits é suscetível a perturbações ambientais; se o spin do elétron for perdido rapidamente, a informação não pode ser transmitida de forma eficaz. O dispositivo da equipe de Stanford, através do design do material e da estrutura do campo de luz, mantém o acoplamento fóton-elétron utilizável à temperatura ambiente. Essa abordagem reduz a dependência de grandes sistemas criogênicos e também oferece a possibilidade de hardware mais compacto para futuros chips de comunicação quântica, sensores quânticos e sistemas optoeletrônicos no chip. Para aplicações em nível de rede no futuro, ainda serão necessárias fontes de luz, moduladores, detectores, estruturas de interconexão e encapsulamento de sistema melhores.
A equipe de pesquisa continua otimizando o desempenho do dispositivo e explorando outros dicalcogenetos de metais de transição e combinações de materiais. A operação à temperatura ambiente é apenas um passo em direção à praticidade; para realmente entrar na rede quântica, ainda é necessário resolver problemas como consistência do dispositivo, fabricação integrada, leitura de sinais, controle de erros e estabilidade em nível de sistema. A equipe de Stanford combinou luz distorcida, materiais bidimensionais e nanoestruturas de silício em um único dispositivo, oferecendo um esquema experimental para hardware de comunicação quântica diferente da abordagem tradicional de baixas temperaturas.