Estão se aproximando de nós

Material se auto-organiza e cria processador por conta própria

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/09/2016

 Os óxidos complexos se auto-organizam em circuitos elétricos, o que cria a possibilidade de criar novos tipos de chips de computador. [Imagem: ORNL]

Auto-organização computacional

Um dos grandes sonhos da nanotecnologia é reconstruir a matéria de baixo para cima, molécula por molécula, para que os materiais resultantes possam ter os comportamentos e as propriedades que o projetista desejar.

Mas que tal então materiais que nem dependam de tanto esforço, que possam se auto-organizar para formar circuitos lógicos completos, capazes de fazer cálculos computacionais?

E, mais do que isso, que esses circuitos possam ser "reescritos", rearranjados para cumprir funções diferentes conforme a necessidade?

Longe das teorias, essa possibilidade acaba de ser demonstrada experimentalmente por Andreas Herklotz e seus colegas do Laboratório Nacional Oak Ridge, nos EUA.

Separação de fase

O material é formado por uma mistura complexa de cristais de óxidos que, quando confinados em escalas micrométricas ou nanométricas, começa a funcionar como se fosse um circuito elétrico formado por múltiplos componentes, assim como um circuito eletrônico é formado por múltiplos transistores, resistores etc.

Essa auto-organização parece decorrer de um comportamento incomum dos óxidos cristalinos chamado separação de fase - pequenas regiões no material apresentam propriedades eletrônicas e magnéticas radicalmente diferentes das outras.

"O que foi interessante neste experimento é que nós descobrimos que podemos usar essas fases para que elas funcionem como elementos de um circuito. O fato de que é possível também mover esses elementos de um lado para o outro abre a incrível possibilidade de construir circuitos regraváveis no material," disse o professor Thomas Ward, coordenador da equipe.

A separação de fase induz a formação de domínios metálicos, isolantes e semicondutores que geram respostas do tipo resistor e capacitor que podem ser controladas eletricamente. [Imagem: Andreas Herklotz et al. - 10.1002/aelm.201600189]

Processadores customizados

Como as diversas fases respondem tanto a campos magnéticos quanto elétricos, o material pode ser controlado de várias maneiras, o que cria a possibilidade de novos tipos de chips e processadores de computador.

"É uma nova forma de pensar sobre a eletrônica, onde você não tem apenas campos elétricos sendo ligados e desligados para seus bits - não é meramente ligar a energia. Isto aponta para a exploração de abordagens completamente diferentes em direção a arquiteturas multifuncionais, onde a integração de múltiplos estímulos externos pode ser feita em um único material," prevê Ward.

Os pesquisadores demonstraram esta nova abordagem inovadora em um material chamado LPCMO (sigla dos seus elementos constituintes: lantânio, praseodímio, cálcio, manganês e oxigênio), mas Ward observa que outros materiais com separação de fase têm propriedades diferentes que podem ser exploradas.

"Isto significa que os materiais e arquiteturas que servem de base aos supercomputadores, PCs e smartphones, cada um com necessidades muito diferentes, não precisarão mais ser forçados a seguir um único caminho, onde o mesmo chip deve servir para todos," disse o pesquisador.

Bibliografia:

Multimodal Responses of Self-Organized Circuitry in Electronically Phase Separated Materials
Andreas Herklotz, Hangwen Guo, Anthony T. Wong, Ho Nyung Lee, Philip D. Rack, Thomas Zarc Ward
Advanced Electronic Materials
Vol.: 2 (9): 1600189
DOI: 10.1002/aelm.201600189

Ruptura de design

Antenas finalmente ficam digitais e vão mudar celulares

Redação do Site Inovação Tecnológica -  01/09/2016

As antenas dos celulares são colocadas no topo e na base do aparelho. É por isso que a tela não pode cobrir o telefone inteiro. Com as antenas digitais, essa restrição deixa de existir.[Imagem: Aalto University]

Antena digital

Engenheiros finlandeses deram o salto tecnológico esperado desde o surgimento dos semicondutores eletrônicos: eles "digitalizaram" as antenas.

Apesar de estarmos mergulhados em um mundo quase totalmente digital, as indispensáveis antenas são dispositivos tipicamente analógicos, que transmitem e recebem ondas. Assim, cada aparelho precisa de um circuito para converter os sinais que recebe da antena de analógicos para digitais, e outro para converter de digitais para analógicos os sinais que vai transmitir.

E as antenas atuais funcionam em frequências para as quais foram cuidadosamente projetadas, o que significa dizer que cada banda de frequência de transmissão exige sua própria antena.

Uma antena digital, por sua vez, pode ser configurada instantaneamente para trabalhar com qualquer frequência.

"Desta forma, muitas aplicações dos smartphones, como GPS, Bluetooth e Wi-Fi, não vão mais precisar ter suas próprias antenas. Em vez disso, toda a transferência de dados do telefone pode ser realizada através de uma única antena controlada digitalmente. Isto, por sua vez, torna o design do telefone mais fácil e permite um tamanho de tela maior em relação ao tamanho do telefone, já que a antena não irá exigir muito espaço," explica Jari-Matti Hannula, da Universidade Aalto.

Antena reconfigurável

A antena digital consiste em um sistema de múltiplas "portas", mutuamente acopladas. Controlando o sinal de excitação de cada porta, pode-se maximizar a eficiência de irradiação do sinal e, ao mesmo tempo, minimizar a potência refletida, o que significa mais alcance e menor consumo de energia.

Para ajustar a banda de transmissão - para atender às necessidades de cada tecnologia de transmissão de dados, como telefonia, Wi-Fi, GPS etc. - o sistema pode ser montado com diferentes componentes de frequência que possam ser combinados, de forma instantânea, para cada frequência de transmissão.

Também é possível acoplar ao sistema as antenas analógicas tradicionais, de forma a atender às necessidades de cada equipamento.

1.000 vezes mais dados

Além da possibilidade de reconfiguração, dos ganhos de eficiência e da diminuição do espaço dentro dos aparelhos, as antenas digitais demonstraram ser possível atingir uma velocidade de transferência de dados de 100 a 1.000 vezes mais rápida do que a alcançada pelos celulares atuais.

"O passo seguinte no processo de desenvolvimento já está em andamento com o início dos testes em cooperação com a Huawei, utilizando dispositivos de telefonia móvel de quinta geração. Nós também estamos desenvolvendo, em conjunto com outros pesquisadores da Universidade de Aalto, os sistemas eletrônicos digitais para controlar as antenas," disse o professor Ville Viikari, coordenador da equipe.

Bibliografia:

Concept for Frequency Reconfigurable Antenna Based on Distributed Transceivers
Jari-Matti Hannula, Jari Holopainen, Ville Viikari
IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters
Vol.: PP, Issue: 99
DOI: 10.1109/LAWP.2016.2602006

Estamos chegando

Dois processadores quânticos que prometem fazer história

Redação do Site Inovação Tecnológica -  11/08/2016

 Este chip quântico (esquerda) é um módulo, permitindo que vários deles sejam conectados para criar computadores quânticos práticos (ilustração à direita). [Imagem: JQI/Universidade de Maryland]

Processador quântico programável

Ainda não está claro qual arquitetura finalmente vencerá a corrida rumo aos computadores quânticos práticos, mas duas delas saltaram claramente à frente nas últimas semanas.

Shantanu Debnath e seus colegas da Universidade de Maryland, nos EUA, desenvolveram uma tecnologia diferente da comumente usada, o que lhes permitiu construir um processador quântico de uso geral com 5 qubits totalmente programáveis.

A grande novidade é que o chip é um módulo, ou seja, vários deles - em teoria, qualquer quantidade deles - podem ser conectados uns aos outros para compor um grande processador quântico, com centenas de qubits.

A tecnologia, herdada das pesquisas com relógios atômicos, usa cinco qubits de itérbio confinados em linha por uma armadilha controlada por radiofrequência. Cada um dos qubits é controlado por feixes de laser. Todos os íons são inicialmente preparados em um estado padrão e então um algoritmo controla a aplicação dos lasers para ler e alterar as informações que eles contêm.

"Nosso experimento leva os bits quânticos de alta qualidade a um novo nível de funcionalidade, permitindo que eles sejam programados por software," disse o professor Christopher Monroe, coordenador da equipe.

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 Toda a óptica de controle, que normalmente exige um laboratório inteiro, agora está embutida dentro do chip. [Imagem: MIT]

Qubits em armadilha de superfície

Karan Mehta, do MIT, por sua vez, construiu um chip quântico com uma arquitetura que aprisiona os qubits - também íons - dentro de um campo elétrico. Íons vêm sendo usados como qubits há muito tempo, mas a grande crítica a essa abordagem é que os dispositivos exigem um laboratório inteiro para funcionar.

A maior inovação de Mehta e seus colegas está justamente na miniaturização de um sistema óptico capaz de controlar cada qubit com feixes de laser.

Para isso, ele substituiu as armadilhas tradicionais, que exigem invólucros para os qubits, por uma "armadilha de superfície", na qual os qubits flutuam 50 micrômetros acima da superfície de eletrodos incorporados dentro de um chip.

"Nós acreditamos que as armadilhas de superfície são a tecnologia chave para permitir que essa tecnologia seja ampliada para o número muito grande de íons que serão exigidos pelos computadores quânticos em larga escala. As armadilhas de gaiolas quânticas funcionam muito bem, mas elas só funcionam para talvez 10 ou 20 íons," disse o professor John Chiaverini, coordenador da equipe.

Para viabilizar sua técnica, a equipe precisou aprimorar o controle óptico de cada qubit individualmente - eles ficam a apenas 5 micrômetros de distância uns dos outros.

Bibliografia:

Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits
Shantanu Debnath, N. M. Linke, C. Figgatt, K. A. Landsman, K. Wright, Christopher Monroe
Nature
Vol.: 536, 63-66
DOI: 10.1038/nature18648

Integrated optical addressing of an ion qubit
Karan K. Mehta, Colin D. Bruzewicz, Robert McConnell, Rajeev J. Ram, Jeremy M. Sage, John Chiaverini
Nature Nanotechnology
DOI: 10.1038/nnano.2016.139

Realmente que mundo é esse?

Nasce a Holografia Quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/07/2016

 Esquema do experimento que gerou o primeiro holograma de um único fóton - um holograma quântico.[Imagem: FUW/dualcolor.pl/jch]

O que sabemos das leis naturais

Você se envolveria em uma pesquisa que pretendesse fazer algo que os livros-texto dizem contrariar as leis fundamentais da física?

Talvez sim, pelo menos se você fosse um dos cientistas que desbravam a natureza e ajudam a escrever as teorias que nós costumamos chamar de leis - mas que parecem nunca estar perfeitamente escritas.

Por exemplo, até agora os físicos acreditavam que criar um holograma de um único fóton era impossível devido às leis fundamentais da física porque fótons individuais obedecem às leis da mecânica quântica, enquanto os hologramas dependem de interferências de feixes de luz - formados por zilhões de fótons -, que seguem as leis da óptica clássica.

Mas agora você pode apagar todas essas "crenças", porque uma equipe de físicos da Universidade de Varsóvia, na Polônia, acaba de superar todos os desafios e aplicar os conceitos da holografia clássica para o mundo dos fenômenos quânticos - eles criaram o primeiro holograma quântico.

Como seria de se esperar, o impacto dessa realização está ribombando por todos os fundamentos da mecânica quântica, e certamente ajudará a reescrever muitos livros-texto de física.

Holografia clássica e holografia quântica

"Nós realizamos um experimento relativamente simples para medir e visualizar algo incrivelmente difícil de observar: o formato da frente de onda de um único fóton," resume o professor Radoslaw Chrapkiewicz.

Simples, mas espetacular.

Para começar, na fotografia os pontos individuais de uma imagem registram apenas a intensidade da luz. Já na holografia clássica o fenômeno de interferência registra também a fase das ondas de luz, que transporta informação sobre a profundidade da imagem.

Para criar um holograma, uma onda de luz de referência é sobreposta a uma outra onda do mesmo comprimento de onda, mas refletida de um objeto tridimensional - para essa superposição, os picos e vales das duas ondas são deslocados em diferentes graus para diferentes pontos da imagem.

Isto resulta em uma interferência, criando um complexo padrão de linhas devido às diferenças de fase entre as duas ondas. Basta então usar um feixe de luz de referência para iluminar o holograma e recriar a estrutura espacial das frentes das ondas da luz refletida, recriando assim a forma 3D do objeto.

O problema de ir reduzindo os feixes de luz até o mínimo possível, até um fóton apenas - para criar um holograma de um fóton individual - é que a fase dos fótons individuais continua a flutuar, o que torna a interferência clássica com outros fótons algo impossível.

 Michal Jachura e Radoslaw Chrapkiewicz, principais idealizadores do experimento que levou ao nascimento da holografia quântica. [Imagem: FUW/Grzegorz Krzyewski]

Como fazer o impossível

Como a equipe polonesa decidiu enfrentar uma tarefa aparentemente impossível, eles abordaram a questão de forma diferente: em vez de usar a interferência clássica das ondas eletromagnéticas, eles tentaram registrar a interferência quântica quando as funções de onda dos fótons individuais interagem.

Até agora, não havia um método experimental simples para obter informações sobre a fase da função de onda de um fóton individual. Embora a mecânica quântica tenha muitas aplicações, e venha sendo checada inúmeras vezes com um grande grau de precisão crescente, ainda não somos capazes de explicar o que de fato são as funções de onda: serão elas simplesmente uma ferramenta matemática útil, ou são algo real?

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Assim, o experimento "simples" da equipe é um importante passo para melhorar nossa compreensão dos princípios fundamentais da mecânica quântica.

"Nosso experimento é um dos primeiros a permitir observar diretamente um dos parâmetros fundamentais da função de onda do fóton - a sua fase - nos levando um passo mais perto de compreender o que a função de onda realmente é," disse Michal Jachura, principal idealizador do holograma quântico.

 Holograma de um único fóton: reconstruído a partir de medições experimentais (à esquerda) e previsto teoricamente (à direita). [Imagem: FUW]

Primeiro holograma quântico                                         

O experimento começou com um par de fótons, com frentes de onda planas e polarizações perpendiculares. A polarização diferente tornou possível separar os fótons em um cristal e tornar um deles "desconhecido" curvando sua frente de onda com uma lente cilíndrica.

Os fótons foram então refletidos por espelhos e direcionados para um divisor de feixe, um cristal de calcita, que não altera o sentido dos fótons polarizados verticalmente, mas desloca os fótons polarizados horizontalmente - a fim de fazer com que cada direção fosse igualmente provável, e para certificar-se de que o cristal funcionava mesmo como um divisor de feixe, os planos de polarização dos fótons foram inclinados em 45 graus antes de entrarem no divisor.

Repetindo as medições várias vezes, os físicos obtiveram uma imagem de interferência correspondente ao holograma do fóton desconhecido visto a partir de um único ponto no espaço - surgia diante de seus olhos, ou de seus instrumentos, o primeiro holograma de um único fóton, um holograma quântico.

Aplicações surpreendentes

Agora que conseguiu reconstruir a função de onda de um fóton individual, a equipe pretende projetar outros experimentos para recriar funções de onda de objetos quânticos mais complexos, tais como átomos.

Mas será que a holografia quântica irá encontrar aplicações além do laboratório, de forma semelhante à holografia clássica, que é rotineiramente utilizada em segurança (hologramas são difíceis de falsificar), entretenimento, transportes (em escâneres de medição das dimensões de cargas), imagens de microscopia, armazenamento de dados ópticos e tecnologias de processamento?

"É difícil responder a esta pergunta hoje. Todos nós - eu me refiro aos físicos - devemos primeiro botar nossas cabeças para funcionar para entender esta nova ferramenta. É provável que aplicações reais da holografia quântica não apareçam por algumas décadas ainda, mas se há uma coisa que podemos ter certeza é que elas serão surpreendentes," disse o professor Konrad Banaszek.

Bibliografia:

Hologram of a Single Photon
Radoslaw Chrapkiewicz, Michal Jachura, Konrad Banaszek, Wojciech Wasilewski
Nature Photonics
DOI: 10.1038/nphoton.2016.129