Computação com ondas de luz faz processamento em petahertz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/05/2022

Pulsos de laser sincronizados (vermelho e azul) geram uma explosão de portadores de carga reais e virtuais no grafeno, que são absorvidos pelos contatos metálicos para produzir uma corrente líquida.
[Imagem: Michael Osadciw/University of Rochester]

Eletrônica de ondas de luz

Na busca por levar a eletrônica e o processamento de informações às escalas de tempo mais rápidas permitidas pelas leis da natureza, uma rota promissora envolve o uso de luz laser para guiar o movimento dos elétrons na matéria e, em seguida, usar esse controle para desenvolver componentes do circuito computacional.

Este conceito é conhecido como eletrônica de ondas de luz, um híbrido entre eletrônica e fotônica.

Os lasers atuais já permitem gerar rajadas de eletricidade em escalas de tempo de femtossegundos (10^-15 segundo) - inverta isso e você terá uma velocidade de processamento em petahertz (10¹⁵ Hz).

Agora, pesquisadores deram um passo decisivo nessa direção, criando uma porta lógica - o bloco básico de construção da computação e do processamento de informações - que opera em escalas de tempo de femtossegundos.

A façanha foi alcançada graças à capacidade de aproveitar e controlar independentemente - algo que ninguém havia feito até agora - os portadores de carga reais e virtuais que compõem essas explosões ultrarrápidas de eletricidade.

Isso abre as portas para o processamento de informações na escala de petahertz, onde um quatrilhão de operações computacionais podem ser processadas por segundo. Isso é quase um milhão de vezes mais rápido do que os computadores atuais, que operam com taxas de clock de gigahertz - 1 petahertz equivale a 1 milhão de gigahertz.

A corrente elétrica produzida pelos lasers inclui portadoras reais e portadoras virtuais.
[Imagem: Tobias Boolakee et al. - 10.1038/s41586-022-04565-9]

Portadoras reais e virtuais

A produção de rajadas ultrarrápidas de correntes elétricas é feita disparando pulsos de laser que duram alguns femtossegundos. Isso é feito, por exemplo, iluminando minúsculos fios à base de grafeno que conectam dois eletrodos metálicos. O pulso de laser ultracurto coloca em movimento, ou "excita", os elétrons no grafeno e, mais importante, os envia em uma direção específica, gerando assim uma corrente elétrica líquida.

Há várias vantagens nisso: O laser produz eletricidade muito mais rápido do que qualquer outro método tradicional, a eletricidade é produzida sem necessidade de aplicação de tensão, e a direção e a magnitude da corrente podem ser controladas simplesmente variando a forma do pulso do laser (ou seja, alterando sua fase).

Em seus experimentos, Tobias Boolakee e seus colegas das universidades de Rochester (EUA) e Erlangen-Nuremberg (Alemanha) constataram que, ao usar eletrodos de ouro para conectar uma fita de grafeno, o laser produz partículas reais e virtuais, ambas carregando as cargas que compõem essas rajadas de eletricidade.

Portadores de carga "reais" são elétrons excitados pela luz que permanecem em movimento direcional mesmo depois que o pulso do laser é desligado. E portadores de carga "virtuais" são elétrons que só são colocados em movimento direcional líquido enquanto o pulso do laser está ligado. Ou seja, as cargas virtuais são espécimes um tanto "fantasmagóricos", que só vivem transitoriamente durante a iluminação do laser - as partículas virtuais são elementos intrínsecos do "vácuo quântico".

Como o grafeno está conectado ao eletrodo metálico, os portadores de carga reais e virtuais são absorvidos pelo metal, gerando uma corrente elétrica líquida.

Surpreendentemente, a equipe também descobriu que, alterando a forma do pulso do laser, é possível gerar correntes onde apenas os portadores de carga reais ou virtuais desempenham um papel. Em outras palavras, os pesquisadores não apenas geraram dois tipos de correntes, mas também aprenderam a controlá-las independentemente, uma descoberta que aumenta drasticamente os elementos de projeto para a eletrônica de ondas de luz.

Portas lógicas com lasers

Usando essas novas ferramentas aprimoradas, Boolakee e seus colegas conseguiram demonstrar experimentalmente, pela primeira vez, portas lógicas de luz que operam em uma escala de tempo de femtossegundos.

Portas lógicas são os blocos de construção básicos necessários para os cálculos, pegando dois sinais de entrada e produzindo uma saída lógica - na eletrônica tradicional elas são formadas por transistores, controlando como as informações recebidas, na forma de 0s e 1s, são processadas.

Na eletrônica de luz, os sinais de entrada são a forma, ou fase, dos dois pulsos de laser sincronizados, cada um escolhido para gerar apenas uma rajada de portadores de carga reais ou virtuais. Dependendo das fases do laser utilizadas, essas duas contribuições para as correntes podem se somar ou se cancelar. O sinal elétrico líquido pode ser atribuído à informação lógica 0 ou 1, funcionando como uma porta lógica ultrarrápida.

"Provavelmente levará muito tempo até que essa técnica possa ser usada em um chip de computador, mas pelo menos agora sabemos que a eletrônica de ondas de luz é possível na prática," disse Boolakee.

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