&bala; Física 17, 172
A demonstração do primeiro qubit mecânico totalmente funcional oferece uma nova plataforma para processamento de informações quânticas e pode levar a sensores de gravidade ultraprecisos.
Pesquisadores do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH) de Zurique demonstraram que um oscilador mecânico pode funcionar como um qubit, o bloco de construção basic de um computador quântico (1). Yiwen Chu e seus colegas mostraram que os modos vibracionais de um ressonador acústico podem formar estados qubit de longa duração. O qubit mecânico pode levar a novos tipos de processadores quânticos, bem como a novas maneiras de testar a interação da gravidade com a mecânica quântica.
Um qubit pode ser criado a partir de qualquer sistema com dois estados quânticos distintos, como um par de níveis de energia eletrônica em um átomo, com um estado correspondendo ao 0 e o outro ao 1 da eletrônica digital convencional. Ao contrário de um circuito clássico, contudo, tal sistema pode existir em qualquer um destes estados ou numa superposição quântica dos dois. Colocar qubits nesses estados de superposição permite que um computador quântico study um grande número de soluções potenciais ao mesmo tempo, produzindo o lendário salto quântico no poder de processamento.
Mas a promessa complete dos computadores quânticos ainda não foi concretizada, em parte porque as superposições quânticas de qubits típicos têm tempos de vida, ou tempos de coerência, que são demasiado curtos para a realização de cálculos complexos. Esse gargalo levou os pesquisadores a investigar a possibilidade de criar um qubit a partir de um ressonador acústico, no qual os estados quânticos são oscilações mecânicas que podem vibrar milhões ou até bilhões de vezes antes de desaparecerem.
O problema é que a estrutura energética dessas vibrações quantizadas, chamadas fônons, torna difícil criar um qubit útil. Nos qubits convencionais as transições entre os dois estados podem ser manipuladas seletivamente por uma onda eletromagnética em uma frequência específica, sem afetar outras excitações do sistema. Em contraste, um oscilador mecânico tem muitos estados de energia espaçados uniformemente, o que significa que a radiação que excita uma transição entre dois estados também desencadeia outras transições entre estados de energia mais elevada. Este espaçamento uniforme, ou “harmonicidade”, torna impossível isolar e controlar as transições entre um único par de estados quânticos.
Para superar este problema, os pesquisadores projetaram anteriormente sistemas híbridos nos quais o ressonador mecânico é acoplado a outro sistema quântico com uma estrutura de energia anarmônica. Em 2023, por exemplo, Adrian Bachtold, do Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO) da Espanha, e colegas acoplaram um nanotubo de carbono a um ponto quântico, mostrando que o sistema combinado tornou-se significativamente anarmônico em baixas temperaturas (2). No entanto, a rápida decoerência impediu que o sistema agisse como um qubit mecânico.
Em vez disso, a equipe de Chu acoplou um qubit supercondutor – com suas vantagens inerentes de longos tempos de coerência e métodos de controle estabelecidos – a um ressonador acústico volumoso que consiste em um cristal de safira com algumas centenas de micrômetros de espessura. O circuito supercondutor é modelado em outra placa de safira posicionada emblem abaixo do ressonador, com o acoplamento obtido através de um pequeno disco de materials piezoelétrico que se deforma em resposta ao campo elétrico do qubit.
Em trabalhos anteriores, Chu e sua equipe mostraram que esta configuração permite o controle quântico do ressonador acústico, incluindo a preparação de estados quânticos específicos (3). No novo estudo, eles reprojetaram o sistema para criar estados hibridizados que retêm as propriedades quânticas do sistema mecânico, mas herdam a natureza anarmônica do qubit supercondutor. Para criar esses estados “vestidos”, os pesquisadores trabalharam em duas frentes. Primeiro, eles melhoraram suas técnicas de fabricação para aumentar os tempos de coerência dos elementos mecânicos e supercondutores. Em segundo lugar, eles ajustaram a frequência das vibrações para serem quase ressonantes com a frequência operacional do qubit supercondutor. “(Essa é) uma maneira inteligente de conseguir um acoplamento muito mais forte entre o qubit supercondutor e as vibrações acústicas em massa”, comentou Bachtold, que não esteve envolvido no trabalho.
Nas suas experiências, Chu e colegas mostraram que os dois estados de energia mais baixa deste sistema híbrido eram distintos o suficiente para operar como estados qubit que podem ser controlados através do circuito supercondutor. O sistema combinado também atinge um tempo de coerência de 200 µs, em comparação com 20 µs do qubit supercondutor sozinho. Os pesquisadores sugerem que melhorias adicionais poderiam ser feitas otimizando a geometria do dispositivo.
A equipe agora está interessada em mostrar que um par de qubits mecânicos pode ser usado para realizar operações lógicas simples. A massa further do sistema mecânico também promete fornecer uma sonda sensível em escala atômica de forças como a gravidade. “Um qubit com grau de liberdade mecânico é especialmente adequado para explorar novas direções, como medir a gravidade e sua interação com a mecânica quântica”, diz Chu.
–Susan Curtis
Susan Curtis é redatora científica freelancer e mora em Bristol, Reino Unido.
Referências
- Y.Yang e outros.“Um qubit mecânico,” Ciência 386783 (2024).
- C.Samanta e outros.“Ressonadores nanomecânicos não lineares aproximando-se do estado basic quântico,” Nat. Física. 191340 (2023).
- S.Martí e outros.“Compressão quântica em um oscilador mecânico não linear,” Nat. Física. 201448 (2024).
