Luz e magia computacional

Bits fotônicos são empacotados dentro de um chip

Com informações da Agência Fapesp -  22/03/2017

 Efeito quântico possibilita codificar mais informações em cada bit - o esquema mostra o guia de onda no microchip de silício.[Imagem: Aseema Mohanty et al. - 10.1038/ncomms14010]

Bit multivalores

Um grupo de pesquisadores do Brasil e dos EUA conseguiu confinar dentro de um chip um sistema de bits fotônicos, que funcionam com base nas leis da mecânica quântica.

O efeito quântico possibilita codificar mais informações por bit, um fenômeno que está na base da busca pelos computadores quânticos e pelos computadores fotônicos, que substituam a eletricidade pela luz.

O que a equipe demonstrou é que o confinamento da luz em uma região muito pequena impõe restrições à sua propagação nas direções transversais ao eixo da sua "estrada", o chamado guia de ondas, o que define diferentes modos espaciais possíveis para a onda luminosa.

Variando a geometria interna, é possível obter vários modos espaciais da onda, várias transições de um modo para o outro e, assim, codificar, para apenas um par de fótons, uma grande quantidade de informações.

Efeito quântico

O efeito quântico explorado foi a interferência luminosa conhecida como HOM (Hong-Ou-Mandel). Descoberta em 1987 por Chung Ki Hong, Zhe Yu Ou e Leonard Mandel, essa interferência ocorre quando dois fótons virtualmente idênticos atingem, um de cada lado, um vidro que é 50% transparente e 50% refletor.

Quando os fótons atingem o vidro, quatro situações são possíveis: 1) o fóton que vem de cima é refletido e o fóton que vem de baixo é transmitido; 2) ambos os fótons são transmitidos; 3) ambos os fótons são refletidos; 4) o fóton que vem de cima é transmitido e o fóton que vem de baixo é refletido.

 [Imagem: Paulo Nussenzveig]

O efeito quântico, descrito pelas chamadas Regras de Feynman, faz com que as situações (2) e (3) se anulem por interferência quântica destrutiva, de modo que o quadro resultante é: ou os dois fótons saem por cima (1) ou os dois fótons saem para baixo (4), mas nunca um fóton para cada lado.

"Trata-se de um típico efeito quântico, pois conjuga no mesmo fenômeno um aspecto ondulatório (a interferência) e um aspecto corpuscular (a contagem de dois fótons discretos). O desvio do par de fótons para um lado ou para o outro pode ser considerado um bit de informação," explicou Paulo Nussenzveig, professor do Instituto de Física da USP.

Um fóton, muitos bits

A grande novidade apresentada pela equipe foi confinar este fenômeno dentro de um microchip, substituindo, com grande vantagem, o vidro parcialmente transmissor e parcialmente refletor por um guia de onda microscópico.

Conforme explica Nussenzveig, o confinamento da luz no minúsculo guia de ondas impõe restrições à sua propagação para as laterais - tentando escapar do guia. Devido à reflexão da luz pelas paredes do guia, e dependendo do comprimento de onda da luz, um efeito de interferência altera a intensidade da onda luminosa, criando o que os físicos chamam de diferentes "modos" espaciais possíveis para a onda.

Desta forma, variando a geometria interna do guia, é possível obter vários modos espaciais da onda e várias transições de um modo para o outro, o que permite codificar, para cada par de fótons, uma quantidade muito maior de informação. E esta é uma questão crucial para qualquer tipo de processador ou sensor: codificar o máximo de informação no mínimo de espaço.

O interesse de uma estrutura assim é codificar mais informação por fóton do que um único bit. Vários grupos, inclusive no Brasil, trabalham com esse intuito, codificando informação por meio do momento angular orbital da luz - a chamada luz torcida. A compactação dentro de um microchip aumenta a viabilidade de utilização tecnológica do fenômeno.

• Luz torcida miniaturizada já cabe dentro dos chips

Bibliografia:

Quantum interference between transverse spatial waveguide modes
Aseema Mohanty, Mian Zhang, Avik Dutt, Sven Ramelow, Paulo Nussenzveig, Michal Lipson
Nature Communications - Vol.: 8, Article number: 14010 - DOI: 10.1038/ncomms14010