Componente eletrônico de mão única impacta do WiFi à computação quântica

Microfotografia do circulador unidirecional com alta capacidade de potência.
[Imagem: Aravind Nagulu/Columbia Engineering]

Princípio da reciprocidade

As ondas - sejam ondas de luz, ondas sonoras ou qualquer outro tipo - viajam da mesma maneira tanto para frente quanto para trás, um fenômeno conhecido como princípio da reciprocidade.

Se pudéssemos rotear ondas em uma única direção - quebrando a reciprocidade - poderíamos transformar uma série de aplicações importantes em nossas vidas diárias.

Por exemplo, poderíamos criar novos componentes unidirecionais que permitissem a comunicação bidirecional pelo mesmo canal, o que poderia dobrar a capacidade de dados das redes atuais, uma vez que os sinais que vão e voltam não se misturariam. Além disso, componentes com essa característica são essenciais para os computadores quânticos, onde se deseja ler um qubit sem perturbá-lo. Eles também são críticos para os sistemas de radar, seja os usados em carros sem motorista ou para vigiar asteroides que possam estar vindo em nossa direção.

Não é à toa que há um monte de gente trabalhando nisso, mas quem deu uma disparada na tecnologia foi Aravind Nagulu e sua equipe da Universidade de Colúmbia, nos EUA.

Além de construir um componente não-recíproco que é 25 vezes mais eficiente do que qualquer outro experimento anterior, Nagulu ainda o miniaturizou, colocando todo o dispositivo dentro de um chip.

Os dispositivos "unidirecionais" vinham sendo construídos usando materiais magnéticos, como ferritas, mas esses materiais não podem ser integrados nos processos modernos de fabricação de semicondutores, além de serem muito volumosos.

Esquema de funcionamento do circulador unidirecional de ondas.
[Imagem: Aravind Nagulu et al. - 10.1038/s41928-020-0400-5]

Impacto na computação quântica

O componente mostrou-se capaz de lidar com potências de vários watts, um patamar já suficiente para sua aplicação na telefonia celular ou em redes Wi-fi.

"Agora descobrimos como construir esses dispositivos unidirecionais em um chip compacto, permitindo que eles se tornem pequenos, de baixo custo e [prontos para] uso generalizado. Isso transformará todos os tipos de aplicações eletrônicas, dos fones de ouvido de realidade virtual às redes celulares 5G e os computadores quânticos," disse o professor Harish Krishnaswamy.

De fato, a equipe vinha se concentrando principalmente nas aplicações da não-reciprocidade em redes de dados sem fios. Mas, com o salto de qualidade que obtiveram com esta nova etapa de miniaturização, eles começaram a voltar sua atenção para a computação quântica.

Os computadores quânticos usam componentes como circuladores e isoladores para ler os qubits sem interferir com seus dados. Atualmente, os protótipos de computadores quânticos criogênicos estão usando circuladores e isoladores magnéticos, componentes que são grandes e caros, o que representa um dos gargalos para construir processadores quânticos com um número maior de qubits.

A equipe está pensando em usar as mesmas junções Josephson supercondutoras usadas nesses protótipos - uma das tecnologias para fazer qubits - para construir circuladores criogênicos na escala de chip, que possam ser integrados diretamente aos qubits, reduzindo drasticamente o custo e o tamanho dos equipamentos.

Bibliografia

Artigo: Non-reciprocal electronics based on temporal modulation
Autores: Aravind Nagulu, Negar Reiskarimian, Harish Krishnaswamy
Revista: Nature Electronics
Vol.: 3, pages 241-250
DOI: 10.1038/s41928-020-0400-5

Fonte: Inovação Tecnológica