Transístor óptico quântico usa transparência induzida por luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/05/2010

Em uma pesquisa inédita rumo aos computadores quânticos, com participação de um brasileiro, cientistas criaram um transístor óptico quântico, formado por um único átomo que se torna transparente.
[Imagem: Gerhard Rempe]

Em uma pesquisa inédita, com participação de um cientista brasileiro, uma equipe do Instituto Max Planck, na Alemanha, criou um transístor óptico quântico, formado por um único átomo e acionado exclusivamente por luz.

Ao contrário de outros transistores ópticos já criados, os cientistas usaram um efeito que faz com que um átomo - ou um monte deles - se torne transparente, alterando completamente suas propriedades ópticas.

A pesquisa teve a participação do pesquisador brasileiro Celso Jorge Villas Bôas, do Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos (SP).

Fronteira quântica

Devido à miniaturização contínua dos componentes dos chips de computador - principalmente os transistores - estamos prestes a cruzar um limite fundamental da matéria, além do qual a tecnologia não poderá mais contar com as leis do mundo macroscópico - a fronteira entre o mundo macro e o mundo quântico.

Com isto em mente, cientistas do mundo todo estão pesquisando tecnologias baseadas em efeitos quânticos que possam ser usados para transmitir e processar informações.

Por exemplo, recentemente uma equipe usou o fenômeno do tunelamento quântico para construir um transístor atômico que poderá ajudar a interligar a eletrônica tradicional com tudo o que há além dessa fronteira.

Redes quânticas

Um dos desenvolvimentos mais promissores nessa direção são as chamadas redes quânticas, nas quais fótons individuais transmitem a informação entre os diferentes nós da rede - que são, essencialmente, átomos individuais.

Nesses átomos, as informações poderão ser armazenadas e processadas, segundo as regras da promissora área da computação quântica.

Transparência Induzida Eletromagneticamente

Um elemento-chave nesses sistemas de redes quânticas é a Transparência Induzida Eletromagneticamente (EIT, na sigla em inglês: Electromagnetically Induced Transparency), um efeito que permite mudar radicalmente as propriedades ópticas da matéria por meio da luz.

Essa "invisibilidade quântica" funciona apenas além da fronteira do mundo quântico, sendo diferente das pesquisas do tipo "manto da invisibilidade", que utilizam metamateriais.

A transparência eletromagneticamente induzida é um efeito de interferência quântica observada nos átomos e moléculas, em que a resposta óptica de um meio atômico é controlada por um campo eletromagnético.

Por exemplo, ela descreve o efeito pelo qual a interação de um meio atômico com um campo de laser pode ser controlada e manipulada de forma coerente usando-se um segundo laser, mais forte do que o primeiro.

Os cientistas usaram um efeito chamado transparência induzida eletromagneticamente, que faz com que um átomo - ou um monte deles - se torne transparente, alterando completamente suas propriedades ópticas.
[Imagem: MPQ/MPG]

Na prática, isso é feito pela irradiação desse meio atômico - um único átomo ou um monte de átomos - com dois feixes de laser: a ação do laser mais forte, chamado feixe de controle, faz com que os átomos tornem-se transparentes para o outro feixe de laser, chamado sonda laser.

Os cientistas já vêm estudando esse efeito e suas incríveis propriedades, mas vinham utilizando aglomerados atômicos formados por centenas de milhares de átomos.

Luz controlando a matéria

Agora, o grupo coordenado pelo professor Gerhard Rempe conseguiu pela primeira vez controlar as propriedades ópticas de um único átomo utilizando os raios laser.

Além de representar um marco no desenvolvimento das novas tecnologias da computação quântica, o feito também é fundamental para a compreensão de como o comportamento quântico de átomos individuais pode ser controlado com a luz.

As propriedades derivadas da transparência eletromagneticamente induzida permitem o armazenamento e a recuperação de informações entre os átomos - matéria - e os pulsos de luz, proporcionando assim uma poderosa interface entre a informação fotônica e os átomos estacionários.

Em todos os experimentos realizados até agora, a porção de matéria que se torna transparente ao laser era formada por um número muito grande de átomos. No experimento agora descrito, utilizou-se apenas um único átomo de rubídio.

Cavidade óptica

O átomo é preso dentro de uma cavidade óptica de alta precisão, a fim de ampliar a interação entre o átomo e a luz - a cavidade e o átomo transformam-se em um sistema fortemente acoplado.

O átomo é preso dentro de uma cavidade óptica de alta precisão, a fim de ampliar a interação entre o átomo e a luz - a cavidade e o átomo transformam-se em um sistema fortemente acoplado.
[Imagem: Gerhard Rempe]

Em seguida, o feixe de laser que será responsável por transmitir as informações - a sonda laser - é dirigido para o centro da cavidade óptica.

Como seria de se esperar, se a cavidade óptica estiver vazia, o laser é transmitido para o receptor do outro lado. Por outro lado, a presença de um átomo faz com que a luz seja refletida, e a transmissão não funciona.

Entra em ação o laser de controle, de intensidade mais alta, aplicado transversalmente ao eixo da cavidade óptica. Ao incidir sobre o aparato, ele induz o fenômeno da transparência, permitindo que a luz da sonda laser passe com potência total pelo átomo, como se ele não estivesse lá.

Transístor óptico quântico

Ligando e desligando o laser de controle, a informação da sonda laser pode ser liberada ou interrompida - exatamente o mesmo que acontece em um transístor normal, onde a passagem da corrente elétrica entre dois eletrodos é controlada pela tensão aplicada a um terceiro eletrodo.

Está então criado o transístor óptico quântico, no qual a passagem dos fótons é controlada unicamente por um outro feixe de fótons.

Os estados "luz liberada" e "luz interrompida" funcionam como os dígitos binários normais, da mesma forma que "corrente liberada" e "corrente interrompida" nos transistores eletrônicos.

Transparência eletromagneticamente induzida

O experimento também demonstrou a ocorrência da transparência eletromagneticamente induzida com um grande número de átomos, com os cientistas inserindo átomos adicionais no interior da cavidade, um por um, de uma maneira totalmente controlada.

"Usar a transparência eletromagneticamente induzida com um número controlado de átomos nos permite manipular muitas propriedades quânticas de campos de luz transmitidos através da cavidade," afirma Martin Mücke, responsável pelos experimentos.

"Normalmente os fótons não interagem uns com os outros. Com este esquema, alcançamos um objetivo perseguido há muito tempo: uma interação forte entre fótons, mediada por um único átomo. Esse aparato é potencialmente um elemento básico para a construção de um computador quântico," afirmou Mücke.

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