Na última década, os cientistas têm dado saltos gigantescos em sua capacidade de construir e controlar sistemas baseados nas regras bizarras da mecânica quântica, que descrevem o comportamento das partículas na escala subatômica.

Mas um desafio é fazer com que os sistemas quânticos delicados funcionem bem com os mecânicos - qualquer coisa com partes móveis - que são a base de grande parte da tecnologia existente.

Em um primeiro, cientistas do Instituto de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e do Laboratório Nacional de Argonne construíram um sistema mecânico - uma pequena "câmara de eco" para ondas sonoras - que pode ser controlado em nível quântico, conectando-o a circuitos quânticos. Publicado em 21 de novembro em Natureza , a descoberta pode estender o alcance da tecnologia quântica a novos sensores quânticos, comunicação e memória.

"Fazer com que essas duas tecnologias se comuniquem é um primeiro passo fundamental para todos os tipos de aplicações quânticas, "disse o principal autor do estudo, Andrew Cleland, o John A. MacLean Professor Sênior de Inovação em Engenharia Molecular e Empresa e um cientista sênior do Laboratório Nacional de Argonne. "Com esta abordagem, alcançamos o controle quântico sobre um sistema mecânico em um nível muito além do que foi feito antes. "

Em particular, Cleland disse, tem havido muito interesse em integrar sistemas quânticos e mecânicos para fazer sensores quânticos incrivelmente precisos que pudessem detectar a mais ínfima das vibrações ou interagir com átomos individuais.

"Muitas técnicas para detectar coisas dependem da detecção de força e deslocamentos - ou seja, movimento, "disse ele." Esses sensores desempenham um papel fundamental em qualquer tipo de aplicação em que você está tentando medir algo. E os sistemas mecânicos são os mais fáceis de construir e os mais sensíveis, portanto, há muito tempo existe um interesse em levá-los ao limite quântico. "(Sensores mecânicos, por exemplo, estão no centro dos sistemas que detectam ondas de gravidade - as ondulações na estrutura do espaço-tempo que nos permitiram "ver" buracos negros colidindo em todo o universo.)

A pesquisa de Cleland concentra-se em parte em circuitos elétricos quânticos, e ele queria conectar um desses circuitos a um dispositivo que gera ondas acústicas de superfície - ondas sonoras minúsculas que correm ao longo da superfície de um bloco de material sólido, como ondas que se movem pela superfície de um lago. Este fenômeno desempenha um papel fundamental em dispositivos do dia a dia, como telefones celulares, abridores de portas de garagem e receptores de rádio.

Um grande avanço foi construir os dois sistemas separadamente, em diferentes tipos de material, e, em seguida, conectá-los. Isso permitiu que a equipe otimizasse cada componente e ainda assim se comunicasse. Ambos devem ser mantidos muito, muito frio - apenas dez milésimos de grau acima do zero absoluto.

Os cientistas estão entusiasmados porque isso lhes dá uma plataforma para fazer experiências com o som no nível quântico.

"Este resultado em particular abre a porta para ser capaz de fazer muitas coisas com som que você já pode fazer com luz, "Cleland disse." O som move 100, 000 vezes mais lento que a luz, o que lhe dá mais tempo para fazer as coisas. Por exemplo, se você está armazenando informações quânticas em uma memória, pode durar muito mais tempo armazenado em som do que em luz. "

Há uma série de questões fundamentais sem resposta sobre como as ondas sonoras se comportam no reino quântico, ele disse, e este sistema poderia dar aos cientistas uma plataforma para abordá-los.

A técnica também pode apontar o caminho para um "tradutor" quântico que permitiria a comunicação quântica em qualquer distância. Os átomos eletrônicos com os quais o grupo de Cleland trabalha só podem operar e se comunicar em temperaturas muito baixas; a acústica quântica poderia permitir que esses circuitos convertessem informações quânticas em sinais ópticos que poderiam ser comunicados a grandes distâncias em temperatura ambiente. É possível que uma configuração de onda acústica possa formar a base para tal sistema, conhecido como repetidor quântico, Cleland disse.

O primeiro autor foi Kevin Satzinger, Ph.D.'18, agora com o Google. Os co-autores no papel incluíram Assoc. Prof. David Schuster e Prof. David Awschalom, bem como os pesquisadores de pós-doutorado Audrey Bienfait e Etienne Dumur; alunos de pós-graduação Youpeng Zhong, Hung-Shen Chang, Greg Peairs, Ming-Han Chou, Joel Grebel, Rhys Povey e Sam Whiteley; e os alunos de graduação Ben November e Ivan Gutierrez (ambos AB'18).

Um estudo separado na mesma edição de Natureza , liderado por Robert Schoelkopf na Universidade de Yale, também relata a criação de excitações de um único fônon. Tomados em conjunto, os dois estudos abrem um novo caminho para o armazenamento de informações quânticas, disseram os autores.

Os dispositivos foram fabricados no Pritzker Nanofabrication Facility no IME.