O mundo moderno éalimentado por circuitos elanãtricos em um "chip" - o chip semicondutor que sustenta computadores, telefones celulares, a Internet e outras aplicações. No ano de 2025, espera-se que os humanos criem 175 zetabytes (175 trilhaµes de gigabytes) de novos dados. Como podemos garantir a segurança de dados confidenciais em um volume tão alto? E como podemos abordar problemas semelhantes a grandes desafios, desde privacidade e segurança atémudanças climáticas, aproveitando esses dados, especialmente devido a  capacidade limitada dos computadores atuais?

Uma alternativa promissora são as tecnologias emergentes de comunicação e computação qua¢ntica . Para que isso acontea§a, no entanto, seránecessa¡rio o amplo desenvolvimento de novos e poderosos circuitos a³pticos qua¢nticos; circuitos que são capazes de processar com segurança as enormes quantidades de informações que geramos todos os dias. Pesquisadores do Departamento de Engenharia Quí­mica e Ciência de Materiais da Fama­lia Mork da USC fizeram uma descoberta para ajudar a habilitar essa tecnologia.

Enquanto um circuito elanãtrico tradicional éum caminho ao longo do qual os elanãtrons de uma carga elanãtrica fluem, um circuito a³ptico qua¢ntico usa fontes de luz que gerampartículas de luz individuais, ou fa³tons, sob demanda, um de cada vez, agindo como bits transportadores de informação ( bits qua¢nticos ou qubits). Essas fontes de luz são "pontos qua¢nticos" de semicondutores nanomanãtricos - minaºsculas coleções manufaturadas de dezenas de milhares a um milha£o de a¡tomos embalados em um volume de tamanho linear inferior a um milanãsimo da espessura do cabelo humano ta­pico enterrado em uma matriz de outro semicondutor adequado .

Eles provaram ser os geradores de fa³ton aºnico sob demanda mais versa¡teis. O circuito a³ptico requer que essas fontes de fa³ton aºnico sejam organizadas em um chip semicondutor em um padrãoregular. Os fa³tons com comprimento de onda quase idaªntico das fontes devem então ser liberados em uma direção guiada. Isso permite que eles sejam manipulados para formar interações com outros fa³tons epartículas para transmitir e processar informações.

Atéagora, houve uma barreira significativa para o desenvolvimento de tais circuitos. Por exemplo, nas técnicas atuais de fabricação, os pontos qua¢nticos tem tamanhos e formas diferentes e são montados no chip em locais aleata³rios. O fato de os pontos terem tamanhos e formas diferentes significa que os fa³tons que eles liberam não tem comprimentos de onda uniformes. Isso e a falta de ordem posicional os tornam inadequados para uso no desenvolvimento de circuitos a³pticos.

Em um trabalho publicado recentemente, pesquisadores da USC mostraram que fa³tons aºnicos podem de fato ser emitidos de maneira uniforme a partir de pontos qua¢nticos dispostos em um padrãopreciso. Deve-se observar que o manãtodo de alinhamento de pontos qua¢nticos foi desenvolvido pela primeira vez na USC pelo investigador principal, Professor Anupam Madhukar, e sua equipe háquase trinta anos, bem antes da atual atividade explosiva de pesquisa em informações qua¢nticas e interesse em single on-chip - fontes de fa³tons. Neste último trabalho, a equipe da USC usou esses manãtodos para criar pontos qua¢nticos aºnicos, com suas caracteri­sticas nota¡veis ​​de emissão de fa³ton aºnico. Espera-se que a capacidade de alinhar com precisão pontos qua¢nticos de emissão uniforme permitira¡ a produção de circuitos a³pticos, potencialmente levando a novos avanços em computação qua¢ntica e tecnologias de comunicação.

O trabalho, publicado na APL Photonics , foi liderado por Jiefei Zhang, atualmente um professor assistente de pesquisa no Departamento de Engenharia Quí­mica e Ciência dos Materiais da Fama­lia Mork, com o autor correspondente Anupam Madhukar, Kenneth T. Norris Professor em Engenharia e Professor de Engenharia Quí­mica, Engenharia Elanãtrica, Ciência dos Materiais e Fa­sica.

"A descoberta abre o caminho para as próximas etapas necessa¡rias para passar da demonstração em laboratório da física de fa³ton aºnico para a fabricação em escala de chip de circuitos fota´nicos qua¢nticos", disse Zhang. "Isso tem aplicações potenciais em comunicação qua¢ntica (segura), imagem, sensoriamento e simulações qua¢nticas e computação."

Madhukar disse que éessencial que os pontos qua¢nticos sejam ordenados de maneira precisa, de modo que os fa³tons liberados de quaisquer dois ou mais pontos possam ser manipulados para se conectar uns com os outros no chip. Isso formara¡ a base da unidade de construção de circuitos a³pticos qua¢nticos.

"Se a fonte de onde os fa³tons vão estiver localizada aleatoriamente, isso não pode acontecer." Madhukar disse.

“A tecnologia atual que nos permite comunicar online, por exemplo, usando uma plataforma tecnologiica como o Zoom, ébaseada no chip eletra´nico integrado de sila­cio. Se os transistores naquele chip não fossem colocados nos locais projetados exatos, não haveria integrado circuito elanãtrico ", disse Madhukar. "a‰ o mesmo requisito para fontes de fa³tons, como pontos qua¢nticos, para criar circuitos a³pticos qua¢nticos."

A pesquisa éapoiada pelo Escrita³rio de Pesquisa Cienta­fica da Fora§a Aanãrea (AFOSR) e pelo Escrita³rio de Pesquisa do Exanãrcito dos EUA (ARO).

"Este avanço éum exemplo importante de como resolver os desafios fundamentais da ciência dos materiais , como criar pontos qua¢nticos com posição e composição precisas, pode ter grandes implicações a jusante para tecnologias como a computação qua¢ntica", disse Evan Runnerstrom, gerente de programa, Escrita³rio de Pesquisa do Exanãrcito, um elemento do Laborata³rio de Pesquisa do Exanãrcito do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exanãrcito dos EUA. "Isso mostra como os investimentos direcionados da ARO em pesquisa ba¡sica apa³iam os esforços de modernização duradouros do Exanãrcito em áreas como redes."

Para criar o layout preciso de pontos qua¢nticos para os circuitos, a equipe usou um manãtodo chamado SESRE (epitaxia redutora de tamanho codificado por substrato) desenvolvido no grupo Madhukar no ini­cio dos anos 1990. No trabalho atual, a equipe fabricou matrizes regulares de mesas de tamanho nana´metro com uma orientação de borda definida, forma (paredes laterais) e profundidade em um substrato semicondutor plano, composto de arsenieto de ga¡lio (GaAs). Pontos qua¢nticos são então criados no topo das mesas adicionando a¡tomos apropriados usando a seguinte técnica.

Primeiro, os a¡tomos de ga¡lio (Ga) que chegam se reaºnem no topo das mesas em nanoescala atraa­dos por forças de energia desuperfÍcie, onde depositam GaAs. Então, o fluxo de entrada étrocado para a¡tomos de a­ndio (In), para por sua vez depositar arseneto de a­ndio (InAs) seguido de volta por a¡tomos de Ga para formar GaAs e, portanto, criar os pontos qua¢nticos individuais desejados que acabam liberando fa³tons aºnicos. Para ser útil na criação de circuitos a³pticos , o espaço entre as nano-mesas em forma de pira¢mide precisa ser preenchido com material que aplaina asuperfÍcie. O chip final onde o GaAs opaco édescrito como uma camada translaºcida sob a qual os pontos qua¢nticos estãolocalizados.

"Este trabalho também estabelece um novo recorde mundial de pontos qua¢nticos ordenados e escalona¡veis ​​em termos de pureza simulta¢nea de emissão de fa³ton aºnico superior a 99,5% e em termos de uniformidade do comprimento de onda dos fa³tons emitidos, que pode ser tão estreito como 1,8 nm, que éum fator de 20 a 40 melhor do que os pontos qua¢nticos ta­picos ", disse Zhang.

Zhang disse que com esta uniformidade, torna-se via¡vel aplicar manãtodos estabelecidos, como aquecimento local ou campos elanãtricos para ajustar os comprimentos de onda dos fa³tons dos pontos qua¢nticos para corresponder exatamente uns aos outros, o que énecessa¡rio para criar as interconexões necessa¡rias entre os diferentes pontos qua¢nticos para circuitos.

Isso significa que, pela primeira vez, os pesquisadores podem criar chips fota´nicos qua¢nticos escalona¡veis ​​usando técnicas de processamento de semicondutores bem estabelecidas. Além disso, os esforços da equipe agora estãofocados em estabelecer o quanto idaªnticos os fa³tons emitidos são do mesmo e / ou de diferentes pontos qua¢nticos. O grau de indistinguibilidade écentral para os efeitos qua¢nticos de interferaªncia e emaranhamento, que sustentam o processamento de informações qua¢nticas - comunicação, detecção, imagem ou computação.

Zhang concluiu: "Agora temos uma abordagem e uma plataforma de material para fornecer fontes escalona¡veis ​​e ordenadas, gerando fa³tons aºnicos potencialmente indistingua­veis para aplicações de informação qua¢ntica. A abordagem égeral e pode ser usada para outras combinações de materiais adequados para criar pontos qua¢nticos que emitem sobre um ampla faixa de comprimentos de onda preferidos para diferentes aplicações, por exemplo, comunicação a³ptica baseada em fibra ou o regime de infravermelho manãdio, adequado para monitoramento ambiental e diagnósticos médicos ", disse Zhang.

Gernot S. Pomrenke, Oficial do Programa AFOSR, Optoeletra´nica e Fota´nica, disse que matrizes confia¡veis ​​de fontes de fa³ton aºnico on-demand on-chip foram um grande passo a  frente.

"Este crescimento impressionante e trabalho de ciência de materiais se estende por três décadas de esfora§o dedicado antes que as atividades de pesquisa em informação qua¢ntica estivessem no mainstream", disse Pomrenke. "O financiamento inicial do AFOSR e os recursos de outras agaªncias do DoD foram essenciais para a realização do trabalho desafiador e da visão de Madhukar, seus alunos e colaboradores. Ha¡ uma grande probabilidade de que o trabalho revolucionara¡ os recursos de data centers, diagnósticos médicos, defesa e tecnologias relacionadas. "