de ScienceDaily
Ondas, quer sejam ondas de luz, ondas sonoras, ou de qualquer outro tipo, viajam da mesma forma reversamente ou avançando, isto é conhecido como o princípio de reciprocidade. Se pudessemos encaminhar ondas em apenas uma direção, quebrando a reciprocidade, poderíamos transformar um tanto de aplicações importantes nas nossas vidas diárias. Quebrar a reciprocidade nos permitiria construir novos componentes de ‘mão única’ tais como circuladores e isoladores que permitem comunicação de mão dupla, o que poderia dobrar a capacidade de dados das redes sem fio de hoje. Estes componentes são essenciais para computadores quânticos, aonde é desejável ler um qubit sem perturbá-lo. Também são fundamentais aos sistemas de radar, seja em carros que dirigem por si mesmos ou os radares usados pelos militares.
Uma equipe liderada por Harish Krishnaswamy, professor de engenharia elétrica, é a primeira a construir um instrumento de alta performance não-recíproco em um chip compacto com performance 25 vezes melhor que trabalhos prévios. Manipulação de potência é uma das métricas mais importantes para estes circuladores e o novo chip de Krishnaswamy pode lidar com vários watts de potência, o suficiente para transmissores de celular que despendem mais ou menos um watt de potência. O novo chip foi a estrela em um programa DARPA SPAR (processamento de sinal em RF) para miniaturizar estes instrumentos e melhorar as métricas de performance. O grupo de Krishnaswamy foi o único a integrar estes instrumentos não-recíprocos em um chip compacto e também demonstrar métricas de performance que eram em ordens de magnitude superiores a trabalhos anteriores. O estudo foi apresentado em um artigo na Conferência Internacional de Circuitos de Estado Sólido da IEEE em fevereiro de 2020 e publicado em 4 de maio de 2020 na Nature Electronics.
“Para que estes circuladores sejam usados em aplicações práticas, precisam ser capazes de lidar com watts de potência sem dificuldade,” diz Krishnaswamy, qual pesquisa foca em desenvolver tecnologias eletrônicas integradas para novas aplicações sem-fio de alta frequência. “Nosso trabalho anterior teve um desempenho a uma taxa 25 vezes mais baixa que este novo, nosso instrumento de 2017 era uma curiosidade científica excitante mas ainda não estava pronto para o horário nobre. Agora descobrimos como construir estes instrumentos de mão-única em um chip compacto, portanto possibilitando que se tornem pequenos, de baixo custo e generalizados. Isto vai transformar todo tipo de aplicações eletrônicas, de headsets de realidade virtual a redes de celular 5G e a computadores quânticos.”
Equipamentos de mão-única tradicionais são construídos usando materiais magnéticos, tais como ferritas, mas estes materiais não podem ser integrados nos processos de fabricação de semicondutores modernos porque são muito volumosos e caros. Enquanto que a criação de componentes não-recíprocos sem o uso de materiais magnéticos é antiga, avanços na tecnologia de semicondutores a deixam em destaque. O grupo de Krishnaswamy tem estado concentrado em desenvolver circuitos de tempo variado, especificamente circuitos conduzidos por um sinal de clock, que tem mostrado alcançar respostas não-recíprocas.
A descoberta original foi feita em 2017, quando a orientada doutorando de Krishnaswamy, Negar Reiskarimian, que agora é professora assistente no MIT e coautora do estudo da Nature Electronics, estava experimentando com um novo tipo de circuito chamado um filtro de caminho N. Ela estava tentando construir um diferente tipo de dispositivo chamado duplexer, que permite transmissão e recepção simultâneas mas a duas frequências separadas. Brincando com o circuito, ela o conectou em um loop e viu esse comportamento de circulação não-recíproco.
“Primeiro não acreditamos no que estavamos vendo e estávamos certos de que o simulador estava quebrado,” diz Krishnaswamy. “Mas quando levamos o tempo para entender, percebemos que era algo grande e novo.”
No curso dos últimos quatro anos, o grupo de Krishnaswamy esteve primariamente focado nas aplicações de não reciprocidade em aplicações sem fio, tal como o wireless full-duplex. Agora, tendo desenvolvido este promissor chip compacto, eles estão tornando suas atenções à computação quântica. Computadores quânticos usam componentes tais como circuladores e isoladores para ler qubits sem perturbá-los. Circuladores e isoladores magnéticos estão sendo usados nestes computadores quânticos criogênicos, mas são grandes em tamanho e caros, demonstrando um dos bottlenecks para fazer computadores quânticos com um grande número de qubits. O grupo de Krishnaswamy está avaliando usar junções de Josephson supercondutoras, a mesma tecnologia utilizada para fazer o qubit, para tornar possível circuladores criogênicos em escala de chip que podem ser diretamente integrados com qubits, reduzindo o custo e tamanho dramaticamente.
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