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 substituem a eletricidade pela luz.

A equipe mostrou que o confinamento da luz em uma região muito pequena impõe restrições à sua propagação nas direções transversais ao eixo da sua “estrada”, chamado de 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.

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Segundo o site Inovação Tecnológica, o efeito quântico explorado nesse trabalho 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.

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.

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

De acordo com 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.

Assim, 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 isto é 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 objetivo, 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.