Pesquisadores da Rússia e da Grã-Bretanha demonstraram um sistema quântico artificial no qual um bit quântico interage com um ressonador acústico no regime quântico. Isso permite que os princípios da óptica quântica sejam aplicados no estudo de ondas acústicas e permite uma abordagem alternativa ao projeto de computador quântico com base na acústica. Também pode tornar os computadores quânticos mais estáveis ​​e compactos. O artigo relatando os resultados foi publicado em Cartas de revisão física .

"Somos os primeiros a demonstrar uma interação entre um qubit e um ressonador de onda acústica de superfície no regime quântico. Anteriormente, ressonadores deste tipo foram estudados, mas sem um qubit. Da mesma forma, qubits com ondas acústicas de superfície foram estudados, mas aquelas eram ondas correntes, sem um ressonador. O regime quântico foi demonstrado em ressonadores em massa, mas isso não foi longe, talvez devido a dificuldades de fabricação. Usamos uma estrutura plana fabricada com as tecnologias existentes, "diz Aleksey Bolgar, pesquisador do Artificial Quantum Systems Lab do MIPT, onde o estudo foi realizado.

Os pesquisadores estudaram a interação de um qubit supercondutor, um transmon, com ondas acústicas de superfície em um ressonador (figura 1). O transmon se comporta como um átomo artificial, isto é, tem vários níveis de energia (figura 2) e passa por transições entre eles. A abordagem convencional de micro-ondas é ter um chip contendo o qubit e um ressonador de micro-ondas, suportando e amplificando a onda. Nesta configuração, o qubit pode interagir com o ressonador absorvendo um fóton dele e entrando em um estado excitado ou emitindo um fóton nele e retornando ao estado fundamental, desde que a freqüência do fóton corresponda à freqüência de transição do qubit. A frequência de ressonância do próprio ressonador varia dependendo do estado do qubit. Portanto, alterando as características do ressonador, é possível ler informações do qubit.

Uma abordagem alternativa surgiu recentemente. Em vez de radiação de microondas (fótons), usa excitações mecânicas, ou fonões, na forma de ondas acústicas. Esta abordagem acústica quântica foi desenvolvida em uma extensão muito menor, em comparação com sua contraparte de microondas, mas tem uma série de vantagens.

Uma vez que as ondas acústicas se propagam 100, 000 vezes mais lento que a luz, seu comprimento de onda é consequentemente mais curto. O tamanho de um ressonador precisa "caber" no comprimento de onda usado. Em um sistema quântico de microondas, o comprimento de onda é de cerca de 1 centímetro, no máximo. Isso significa que o ressonador precisa ser bastante grande, mas quanto maior for, quanto mais defeitos tem, uma vez que eles estão inevitavelmente presentes na superfície do chip. Devido a esses defeitos, o tempo de vida de um estado qubit é curto, prejudicando cálculos quânticos em grande escala e complicando a criação de computadores quânticos. A partir de agora, o recorde mundial para a vida útil mais longa é de cerca de 100 microssegundos, ou um décimo milésimo de segundo. Sob a abordagem acústica, o comprimento de onda é igual a cerca de 1 micrômetro, portanto, é possível encaixar ressonadores de alta qualidade medindo apenas 300 micrômetros no chip.

Outro problema com as microondas é que os comprimentos de onda longos tornam impossível colocar dois qubits em um ressonador para permitir a interação em frequências diferentes. Como resultado, um ressonador separado é necessário para cada qubit (veja a figura 3). Na abordagem acústica, um ressonador mecânico pode acomodar vários qubits com frequências de transição ligeiramente diferentes. Isso significa que um chip quântico baseado em ondas sonoras seria muito menor do que os disponíveis agora. Além disso, a acustodinâmica pode resolver o problema da sensibilidade do sistema quântico ao ruído eletromagnético.

Os autores do artigo usaram um ressonador para ondas acústicas de superfície. Estes são um pouco semelhantes às ondas do mar, mas se propagando em sólidos. A Figura 4 mostra o chip criado no estudo. Um circuito de alumínio é depositado em um substrato piezoelétrico feito de quartzo. O circuito consiste em um transmon, um ressonador, e dois transdutores interdigitais. Os dois transdutores funcionam como um transmissor e um receptor. Entre eles, existe uma camada piezoelétrica feita de um material que converte a tensão mecânica em eletricidade e vice-versa. Uma onda acústica de superfície gerada no material piezoelétrico é capturada entre as duas grades de Bragg do ressonador. O qubit, ou transmon, contido no ressonador tem dois níveis de energia, e a capacitância qubit é implementada como transdutores interdigitais. O objetivo do estudo foi mostrar que o qubit pode interagir com o ressonador, ficando animado e relaxado como um sistema quântico ficaria. As medições foram feitas em um criostato sob temperaturas da ordem de dezenas de miliquelvins.

Uma característica do regime quântico é o chamado cruzamento evitado de níveis de energia (figura 5). A frequência de transição do qubit pode ser sintonizada por meio de um campo magnético externo - para permitir isso, o transmon é equipado com um magnetômetro SQUID. Se a frequência do ressonador coincide com a frequência de transição qubit, a divisão de energia é observada no espectro de energia do qubit - isto é, um valor de fluxo magnético corresponde a duas frequências de transição características. Os pesquisadores observaram esse fenômeno em seu chip e mostraram que o transmon e o ressonador acústico interagem no regime quântico.

O objetivo fundamental desta pesquisa é demonstrar que os fenômenos e efeitos da óptica quântica se aplicam também à acústica. Além disso, ele fornece uma maneira alternativa de construir um computador quântico. Apesar das interfaces baseadas em micro-ondas alcançarem uma contagem impressionante de 50 qubit, o que significa que a acústica quântica ainda tem um longo caminho a percorrer, a última abordagem tem inúmeras vantagens que podem ser úteis no futuro.