Investigadores da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara identificaram um novo defeito cristalino no silício capaz de atuar como qubit, elemento fundamental dos futuros computadores quânticos. O achado, batizado de centro CN, substitui o hidrogênio presente no defeito tradicionalmente estudado — o centro T — por nitrogênio, aumentando a estabilidade do sistema e simplificando o processo de fabricação.
Do diamante ao silício: a busca pelo qubit ideal
O desenvolvimento de computadores quânticos passa pela escolha de qubits que combinem facilidade de produção, resistência a ruído e capacidade de integração em escala industrial. Hoje coexistem várias abordagens — qubits supercondutores, atômicos, de luz e até versões mais exóticas, como qubits de antimatéria ou mecânicos. Entre as propostas sólidas, os chamados defeitos em cristais ganharam destaque por oferecerem estados quânticos protegidos pela estrutura do material.
No diamante, por exemplo, imperfeições conhecidas como vacâncias de nitrogênio formam pares “nitrogênio-lacuna” que podem armazenar e manipular informação quântica. Esses defeitos interagem tanto com elétrons quanto com fótons, emitindo luz em frequências adequadas para comunicação em redes quânticas. A mesma lógica motivou cientistas a procurar análogos em outros materiais amplamente disponíveis.
Novo defeito cristalino no silício
O silício domina a indústria dos semicondutores e, por isso, representa a plataforma mais atraente para escalar dispositivos quânticos. Até agora, o principal candidato nessa matriz era o centro T, composto por átomos de carbono e hidrogênio alojados na rede cristalina. Embora apresente boas propriedades ópticas, o centro T sofre com a mobilidade do hidrogênio, elemento que se desloca facilmente durante processos de litografia, gravação ou dopagem. Essa instabilidade dificulta a replicação de dispositivos e compromete a reprodutibilidade dos resultados.
Kevin Nangoi e a sua equipa descobriram que a substituição do hidrogênio por nitrogênio resolve grande parte desses entraves. No novo defeito, dois átomos de carbono e um de nitrogênio rearranjam-se na rede do silício, criando níveis eletrônicos que podem ser excitados e lidos opticamente. A ausência de hidrogênio reduz a sensibilidade a temperaturas de processamento e a flutuações químicas, tornando o centro CN estruturalmente mais robusto.
Impacto potencial para a indústria semicondutora
Além da maior estabilidade, o centro CN emite fótons em comprimentos de onda compatíveis com as fibras ópticas utilizadas nas telecomunicações, característica valiosa para construir links quânticos de longa distância. A equipa recorreu a simulações de primeiros princípios para mapear a estrutura eletrónica do defeito e prever o seu comportamento óptico. Os cálculos indicaram que o centro CN mantém níveis de energia semelhantes aos do centro T, exibindo tempos de coerência adequados ao processamento quântico e transições ópticas bem definidas.
O uso de métodos computacionais permitiu ainda delinear condições de síntese favoráveis, como concentrações ideais de dopantes e temperaturas de recozimento. Com esse roteiro, fabricantes poderão introduzir defeitos CN de forma controlada, aproveitando linhas de produção já existentes nos parques de fabricação de semicondutores.
Imagem: Tecnologia & Inovação
A descoberta responde a um dos maiores desafios da computação quântica em silício: identificar blocos de construção intrinsecamente compatíveis com processos industriais consolidados. Como o material base é o mesmo dos chips clássicos, há potencial para integrar circuitos quânticos e convencionais na mesma pastilha, reduzindo custos e complexidade de encapsulamento.
Mark Turiansky, membro sénior da equipa, sublinha que o centro CN replica as principais vantagens do centro T — emissão de luz na faixa de telecomunicações e estabilidade eletrónica — sem o inconveniente da presença de hidrogênio. Segundo o investigador, essa combinação abre caminho para uma nova geração de dispositivos que inclui repetidores quânticos, sensores de campo magnético ultrasensíveis e processadores híbridos capazes de executar algoritmos quânticos específicos.
O próximo passo envolve a criação de amostras experimentais e a caracterização detalhada das propriedades de spin, tempo de coerência e eficiência de emissão fotónica. Caso os resultados de laboratório confirmem as previsões teóricas, o centro CN poderá tornar-se referência para projetos que visam escalar qubits em wafer de 300 mm, compatíveis com as normas da microeletrónica contemporânea.
Com a demonstração de um emissor de luz quântica livre de hidrogênio no silício, a comunidade de pesquisa avança na direção de plataformas mais simples, confiáveis e economicamente viáveis. O centro CN reforça a ideia de que aperfeiçoar defeitos cristalinos pode ser o caminho mais curto para aproximar a computação quântica da produção em massa, aproveitando décadas de investimentos na cadeia de fornecimento de semicondutores.
