A tecnologia quântica é imensamente promissora para a transformação de campos como computação, comunicação e detecção, usando fenômenos como superposição e emaranhamento. Estas tecnologias avançadas, no entanto, enfrentam desafios significativos quando se trata da transição de protótipos de laboratório para sistemas práticos do mundo actual. Um dos maiores obstáculos é que os dispositivos quânticos são incrivelmente sensíveis à interferência ambiental, muitas vezes exacerbada pelos próprios materiais utilizados na sua construção, como os metais.
Avançando dispositivos quânticos com cerâmica impressa em 3D
Uma equipe de pesquisadores, liderada por Marc Christ, do Ferdinand-Braun-Institut, propôs uma solução para tornar os dispositivos quânticos mais estáveis e práticos, substituindo as tradicionais caixas metálicas por cerâmicas impressas em 3D. A pesquisa de Christ destaca as propriedades únicas da cerâmica, como isolamento elétrico, compatibilidade com vácuo e estabilidade térmica, que as tornam ideais para dispositivos quânticos. A cerâmica oferece baixa densidade e expansão térmica favorável, reduzindo distúrbios que possam comprometer o desempenho do aparelho.
“Essas propriedades permitem que a cerâmica reduce perturbações que podem facilmente atrapalhar o desempenho de um dispositivo quântico”, disse Christ. Esta mudança tem o potencial de tornar os dispositivos quânticos mais compactos, robustos e mais adequados para aplicações do mundo actual.
Superando os desafios da fabricação tradicional de cerâmica
Embora a cerâmica tenha vantagens claras para dispositivos quânticos, seu uso tem sido limitado pelos métodos tradicionais de fabricação. A produção de componentes complexos e de pequena escala para dispositivos quânticos geralmente envolve pós-processamento dispendioso com ferramentas baseadas em diamante, tornando-o demorado e caro. Além disso, a fabricação tradicional de cerâmica tem dificuldade em criar formas complexas necessárias para dispositivos quânticos, especialmente para sistemas que manipulam a luz para controlar estados quânticos.
Para superar essas limitações, a equipe de Christ explorou o uso da impressão 3D. “Em nossa pesquisa, somos os primeiros a usar cerâmica impressa em 3D em dispositivos quânticos”, explicou Christ. A capacidade de imprimir componentes cerâmicos em 3D permite a produção de peças funcionais detalhadas com muito mais rapidez e custo menor do que os métodos convencionais.
Avanço na detecção quântica com dispositivos miniaturizados
Em um estudo recente publicado na Superior Quantum Applied sciences, a equipe de Christ aplicou a impressão 3D para criar um dispositivo miniaturizado usado na detecção quântica. Este dispositivo alinha com precisão a frequência de um laser para corresponder à transição entre dois estados quânticos em um átomo, uma função essential para muitos sensores quânticos. Tradicionalmente, esses sensores podem ser tão grandes quanto um forno de micro-ondas, mas a versão em cerâmica impressa em 3D reduziu o tamanho para algo comparável a alguns centavos, pesando apenas 15 gramas.
Parte inferior: Uma renderização CAD mostrando o caminho do feixe da configuração FMS sem Doppler, incluindo o colimador de fibra (1), PBS (2), célula de vapor preenchida com Rb (3), placa (4), espelho (5), foco lente (6) e fotodiodo (7). (Crédito da imagem: CerAMRef)
“O que é importante é que, embora o sistema seja muito menor, ele ainda funciona muito bem”, observou Christ. O alinhamento óptico no dispositivo permanece estável, mesmo quando exposto a estresse mecânico ou calor – um recurso essencial para muitas aplicações quânticas.
A impressora 3D da equipe constrói as peças cerâmicas camada por camada, alcançando uma resolução de 40 mícrons (menor que um fio de cabelo humano) para uma precisão excepcional. Depois de impressos, os componentes cerâmicos são queimados em fornos de alta temperatura, conferindo-lhes a resistência e durabilidade das cerâmicas produzidas tradicionalmente.
Pronto para integração no mundo actual
Um dos aspectos mais promissores desta pesquisa é que a tecnologia cerâmica impressa em 3D está pronta para implantação em sistemas do mundo actual. “Nossa referência de frequência óptica está pronta para ser usada em sistemas do mundo actual”, disse Christ. Esses componentes miniaturizados podem ser integrados em dispositivos maiores que requerem fontes de laser estabilizadas, como medidores de ondas ópticos, sensores quânticos e computadores quânticos. A natureza personalizável da cerâmica impressa em 3D também permite uma rápida adaptação a vários componentes, abrindo possibilidades em diferentes aplicações.
A equipe de Christ também está trabalhando em vários outros projetos, incluindo magnetômetros atômicos compactos para medir campos magnéticos e miniaturizar armadilhas ópticas para átomos frios, que podem ser usados para detecção quântica ou como qubits em computadores quânticos.
Um futuro para dispositivos quânticos robustos e miniaturizados
A integração da cerâmica impressa em 3D na tecnologia quântica é um passo significativo para aproximar os dispositivos quânticos das aplicações cotidianas. Ao tornar os sistemas quânticos mais portáteis, duráveis e de fabricação econômica, esta pesquisa pode abrir caminho para avanços na computação, detecção e comunicações quânticas. À medida que estas tecnologias se tornam mais acessíveis, as possibilidades de inovação em diversas indústrias são ilimitadas.