Cientistas do NIST desenvolvem lasers de 'qualquer comprimento de onda'

• Em um chip de fotônica integrada, foi implementada uma estrutura que converte uma única cor de laser em vários comprimentos de onda visíveis e infravermelhos, criando comprimentos de onda próprios diferentes apenas pelo projeto do circuito
• Ao empilhar em 3D lítio niobato e tantala sobre um wafer de silício, aplicou-se uma abordagem que processa no mesmo chip tanto a conversão da cor da luz quanto o controle elétrico
• Relógios quânticos e computadores quânticos precisam de cores de laser específicas para cada átomo, mas o volume, custo e consumo de energia dos equipamentos existentes são grandes restrições para uso em campo
• Em um único wafer foram integrados cerca de 50 chips do tamanho de uma unha e, ao todo, 10 mil circuitos fotônicos; cada circuito emite uma cor diferente, e no laboratório foi confirmada a operação de conversão de infravermelho em luz visível
• A obtenção de uma rota de fabricação que pode levar a sistemas baseados em fótons baratos e portáteis destaca o potencial de expansão de uso não só em tecnologias quânticas, mas também em comunicação entre chips para IA e displays de realidade virtual

---

Avanço nos circuitos de fotônica integrada

• Sobre um wafer de silício, foram empilhados padrões complexos de materiais especiais para criar chips fotônicos que movimentam luz e processam informação como chips eletrônicos
  • Esses chips usam componentes ópticos como lasers, guias de onda, filtros e switches para transmitir e processar luz dentro do circuito
  • Podem ajudar tecnologias emergentes como inteligência artificial, computadores quânticos e relógios atômicos ópticos
• Circuitos que usam fótons em vez de elétrons têm características diferentes da eletricidade na transmissão e no processamento de informação
  • Fótons se movem pelo circuito muito mais rápido do que elétrons
  • A luz laser é um elemento essencial para controlar tecnologias quânticas como relógios atômicos ópticos e computadores quânticos
• Um dos principais obstáculos à disseminação da fotônica integrada é a limitação de comprimento de onda dos lasers
  • Lasers de alta qualidade, compactos e eficientes existem apenas em poucos comprimentos de onda
  • Lasers semicondutores são muito adequados para gerar infravermelho de 980 nanômetros, uma cor logo fora da faixa visível para humanos
• Relógios atômicos ópticos e computadores quânticos precisam de lasers de muitas outras cores
  • Os lasers existentes que produzem essas cores são grandes, caros e consomem muita energia, mantendo essas tecnologias quânticas praticamente restritas a poucos laboratórios especializados
• Integrar lasers aos circuitos do chip pode abrir caminho para tecnologias quânticas mais baratas e portáteis
  • Com possibilidade de expansão para aplicações reais fora do laboratório

Método de empilhamento multicamadas

• O novo chip fotônico foi fabricado com uma estrutura em camadas
  • O ponto de partida é um wafer padrão de silício revestido com silício, dióxido de silício (vidro) e lítio niobato, que pode mudar a cor da luz que entra
• Com a adição de peças metálicas, tornou-se possível controlar eletricamente como o circuito converte luz de uma cor em outra
  • Foi criada uma interface separada entre metal e lítio niobato para permitir ligar e desligar rapidamente a luz dentro do circuito
  • Essa capacidade é um elemento central para processamento de dados e roteamento em alta velocidade
• Na camada superior foi aplicado um segundo material não linear, o pentóxido de tântalo (tantala)
  • A tantala pode receber uma única cor de laser como entrada e convertê-la em toda a faixa do arco-íris visível e em uma ampla gama de comprimentos de onda infravermelhos
  • Ao longo de vários anos, foi desenvolvida uma técnica para fabricar circuitos com esse material sem aquecê-lo, permitindo deposição sobre outros materiais sem causar danos
• Ao padronizar materiais diferentes em um empilhamento 3D, foi criado um chip único que roteia luz com eficiência entre as camadas
  • Isso combina a capacidade de conversão de luz da tantala com a controlabilidade do lítio niobato
  • Um ponto forte essencial é que a tantala pode ser adicionada a circuitos já existentes
• Em um único wafer foram integrados cerca de 50 chips do tamanho de uma unha e um total de 10 mil circuitos fotônicos
  • Cada circuito emite uma cor própria diferente
  • É possível gerar várias cores apenas com o projeto do circuito

Demanda por lasers ajustados a cada comprimento de onda

• Relógios quânticos e computadores quânticos costumam usar arranjos de átomos para armazenar e processar informação
  • Cada tipo de átomo exige um laser compatível com seus níveis internos de energia quântica
• Átomos de rubídio reagem à luz vermelha de 780 nanômetros
  • É um exemplo de átomo frequentemente usado em computadores quânticos e relógios
• Átomos de estrôncio reagem à luz azul de 461 nanômetros
  • Se outra cor for aplicada, não ocorre nenhuma reação
• O volume, custo e complexidade dos lasers existentes que geram essas cores sob medida são obstáculos centrais para implantar computadores quânticos e relógios ópticos em campo
  • Representam uma grande limitação para levar esses sistemas do laboratório para ambientes reais

Possibilidades de aplicação

• Relógios ópticos baratos, de baixo consumo e portáteis podem ter uso potencial em várias áreas
  • Possibilidade de apoiar a previsão de erupções vulcânicas e terremotos
  • Potencial para funcionar como alternativa ao GPS em posicionamento e navegação
  • Podem ajudar a investigar mistérios científicos como a natureza da matéria escura
• Computadores quânticos podem oferecer novas abordagens para estudar a física e a química de medicamentos e materiais
• O uso de circuitos fotônicos integrados não se limita às tecnologias quânticas
  • Podem ajudar a transmitir sinais com eficiência entre chips especializados usados por empresas de tecnologia
  • Podem contribuir para tornar ferramentas baseadas em IA mais poderosas e eficientes
• Empresas de tecnologia também têm interesse em usar fotônica para melhorar displays de realidade virtual

Caminho para comercialização

• O chip atual ainda não está pronto para produção em massa
  • Ainda assim, a própria técnica de fabricação oferece um caminho para o futuro
• Há colaboração com a Octave Photonics para expandir a tecnologia
  • Startup sediada em Louisville, Colorado
  • Foi fundada por ex-pesquisadores do NIST e está trabalhando na ampliação da tecnologia

Características visuais e experimentais

• Dentro de um pequeno chip retangular do tamanho de uma unha, foram integrados vários circuitos que mudam a cor da luz laser
  • Em fotos, é mostrado um circuito que converte o infravermelho invisível em luz azul visível
  • Uma moeda dime foi usada para comparação de tamanho
• O chip baseado em óptica não linear pode incluir lasers de dezenas de cores
• No laboratório, foi confirmado que o chip recebe luz invisível e gera múltiplas luzes visíveis
  • Uma cena que mostra de forma intuitiva as diversas possibilidades de aplicação dentro de um único chip integrado

[GN⁺]

Comentários do Hacker News

• Em vez de falar só de magenta ou marrom, dá para ver cores ilusórias agora mesmo sem laser. Seguindo este texto, você acaba tendo a experiência de ver algo como um hiper turquesa

  • Acho o próprio conceito de frequência de cor e luz realmente fascinante. No fim das contas, a luz é só um sinal físico, mas a experiência subjetiva que temos da cor é muito mais rica. O vermelho que eu vejo e o vermelho que outra pessoa sente podem até ser diferentes, mas ambos chamamos isso de vermelho e o conectamos a significados como fogo, amor, calor e perigo, o que acho especialmente interessante
  • Para mim, qualquer dia em que aprendo algo novo sobre cor é um bom dia. Minha curiosidade favorita sobre cores é que não existe luz monocromática rosa. O rosa só pode ser criado misturando as extremidades do espectro visível, isto é, tons avermelhados e arroxeados, então, em termos estritos, não existe rosa no arco-íris
  • Tenho enxaqueca ocular/retiniana, então queria avisar de antemão que, para pessoas assim, os experimentos visuais desse texto podem não ser uma boa ideia
  • Eu fiz o teste porque o texto dizia “continue olhando para o ponto, leva 1 minuto”, mas, sinceramente, senti que só perdi tempo
  • Senti que isso explica um pouco os fenômenos que se vê quando se está viajando de acid

• Acho que a explicação do artigo, no estilo “os fótons atravessam circuitos muito mais rápido do que elétrons”, pode induzir um pouco ao erro. Os próprios elétrons não se movem à velocidade da luz, mas a transmissão de informação elétrica já acontece perto disso. Então imagino que o ponto de ganho de desempenho esteja mais para largura de banda do que para latência

  • Pelo que entendo, em circuitos elétricos a informação é transmitida pelo campo elétrico, e não porque um monte de elétrons sai correndo diretamente, e a velocidade de propagação disso é próxima à da luz
  • Pelo que sei, um cabo Cat6 fica em torno de 0,6c, podendo ser um pouco mais rápido dependendo do tipo de cabo. A fibra óptica também fica por volta de 0,6c por causa do índice de refração do núcleo

• Eu gostaria que alguém explicasse de forma simples se esse tal de photonic computing tem substância real

  • Na minha visão, há uma vantagem óbvia. Em comunicação óptica, dá para colocar muitas cores de luz diferentes numa única fibra, e cada cor pode carregar modulação de dezenas de GHz, então ainda existe uma enorme quantidade de largura de banda não utilizada. Além disso, se o comprimento de onda do laser puder ser ajustado com precisão, talvez seja possível fazer química molecular alinhada com energias específicas de ligação, e corte e soldagem a laser também podem evoluir escolhendo comprimentos de onda mais eficientes para cada caso
  • Acho que o ponto central é que eles conseguiram uma forma de fabricar um dispositivo capaz de gerar a frequência óptica desejada. Até agora, lasers baratos, pequenos e eficientes o bastante para ir num chip só eram possíveis em alguns comprimentos de onda, e isso reduz essa limitação. A descrição do artigo exagera um pouco, mas o paper traz números de eficiência; por exemplo, em 485nm, entram 35mW e se obtém uma saída de 6mW. Em especial, isso parece abrir possibilidade de usar mais frequências em comunicação óptica multimodo para aumentar a largura de banda ou tornar os dispositivos menores, mais baratos e mais eficientes
  • Vejo isso de forma parecida com a pesquisa básica em geral. Antes de ser usada para resolver problemas reais, é quase impossível prever o tamanho do valor que terá. Até matemática muito abstrata acabou virando uma indústria gigantesca depois. Ainda assim, é claro que o controle de comprimento de onda do laser é central para a tecnologia moderna de comunicações, então não acho que essa tecnologia vá acabar sendo inútil
  • Acho que isso pode ser ainda mais direto para computação quântica. Em armadilhas de íons, a escolha de quais íons usar no fim se relaciona com quais comprimentos de onda conseguimos gerar de forma estável, e hoje a escolha pende para comprimentos de onda mais fáceis de lidar com lasers telecom adaptados. Se for possível ajustar o comprimento de onda do laser com esse grau de liberdade, essa limitação pode desaparecer e talvez possamos escolher íons com outras características
  • Não sou especialista na área, mas sinto que há algumas condições centrais. Primeiro, precisa ser possível fazer geração de comprimentos de onda arbitrários; depois, esses comprimentos de onda precisam poder ser medidos com precisão; e também parecem necessários elementos como portas holográficas que funcionem sem sensibilidade excessiva à frequência. Se essas coisas existirem, a capacidade computacional provavelmente acabará sendo determinada pela capacidade de distinguir diferentes comprimentos de onda. Em teoria, isso pode levar ao ponto em que muito mais computação tenha sido feita do que conseguimos detectar, o que leva a questões bem filosóficas

• Acho que, se o custo final for razoável, isso certamente é uma boa notícia para computação quântica com armadilha de íons. Os comprimentos de onda de laser necessários para confinar íons variam conforme a molécula ou espécie escolhida, e os equipamentos atuais são caros, sensíveis, difíceis de calibrar e, quando usam lasers de corante, ainda bastante incômodos

  • Acho que isso também se aplica ao lado de átomos neutros. Para bombear átomos para o estado de Rydberg, é preciso luz bem limpa

• Eu ficaria muito animado se no futuro surgissem novos displays que não ficassem presos ao triângulo de gamut das cores primárias RGB, mas em que as próprias primárias mudassem dinamicamente para mostrar quase qualquer cor

  • Eu só quero todas as cores. Se possível, queria que entregassem a própria distribuição espectral completa
  • Achei a ideia muito legal, mas isso me fez pensar em como os dados de imagem seriam codificados nesse caso

• Queria compartilhar que o paper original está aqui

• Sinto que o título é um pouco enganoso. Isso parece menos um computador verdadeiramente de propósito geral e mais uma história de usar vários efeitos ópticos não lineares em óptica integrada sobre a frequência de entrada do laser para realizar uma espécie de computação

  • Eu não vejo necessariamente assim. O que eles demonstraram no experimento é, na prática, algo bem próximo de uma supercontinuum source cobrindo “quase qualquer comprimento de onda”, e só o fato de isso ter sido implementado num chip integrado já me parece bem impressionante

• Pensando que os elétrons levaram 60 anos para sair do chip e chegar ao dispositivo inteligente, sinto que, se os fótons seguirem um caminho parecido, nós só acabamos de dar o sinal de partida. Em especial, acho muito interessante que o tantala pegue uma única cor de laser e a espalhe em algo próximo de um arco-íris inteiro

• Lembrei que a Marinha dos EUA pesquisa há muito tempo o free electron laser, quase como um santo graal. Um exemplo relacionado pode ser visto no comunicado da Boeing

• Quando ouço falar de um “laser que realmente funciona em qualquer comprimento de onda”, isso inevitavelmente me faz pensar em algo como um gamma-ray laser. Na prática não é simples, mas a vontade de que exista é grande

  • Graças a isso, finalmente matei a curiosidade de saber se isso realmente é chamado de graser. Por outro lado, por causa da sensibilidade de leitor de ficção científica, eu também tinha uma certa esperança de que esse termo estivesse reservado algum dia para algo como um oscilador de ondas gravitacionais