A física quântica estabelece as leis que dominam o universo em pequena escala. A capacidade de aproveitar os fenômenos quânticos pode levar a máquinas como os computadores quânticos, que são previstos para realizar certos cálculos muito mais rápido do que os computadores convencionais. Um grande problema com a construção de processadores quânticos é que rastrear e controlar os sistemas quânticos em tempo real é uma tarefa difícil porque os sistemas quânticos são extremamente frágeis:a manipulação descuidada desses sistemas introduz erros significativos no resultado final. Um novo trabalho de uma equipe da Aalto pode levar a computadores quânticos precisos.

Os pesquisadores relatam controlar fenômenos quânticos em um circuito elétrico customizado chamado transmon. O resfriamento de um chip transmon a alguns milésimos de grau acima do zero absoluto induz um estado quântico, e o chip começa a se comportar como um átomo artificial. Uma das características quânticas que interessa aos pesquisadores é que a energia do transmon só pode assumir valores específicos, chamados de níveis de energia. Os níveis de energia são como degraus em uma escada:uma pessoa subindo a escada deve ocupar um degrau, e não pode pairar em algum lugar entre duas etapas. Da mesma forma, a energia transmon só pode ocupar os valores definidos dos níveis de energia. O brilho das microondas no circuito induz o transmon a absorver a energia e subir os degraus da escada.

Em trabalho publicado em 8 de fevereiro na revista. Avanços da Ciência , o grupo da Aalto University liderado pelo docente Sorin Paraoanu, professor universitário sênior no Departamento de Física Aplicada, fez o transmon pular mais de um nível de energia de uma só vez. Anteriormente, isso só foi possível por meio de ajustes muito suaves e lentos dos sinais de micro-ondas que controlam o dispositivo. No novo trabalho, um sinal de controle de micro-ondas adicional moldado de uma maneira muito específica permite um rápido, mudança precisa do nível de energia. Dr. Antti Vepsäläinen, o autor principal, diz, "Temos um ditado na Finlândia:'hiljaa hyvää tulee' (lentamente faz isso). Mas conseguimos mostrar isso corrigindo continuamente o estado do sistema, podemos conduzir esse processo mais rapidamente e com alta fidelidade. "

Dr. Sergey Danilin, um dos co-autores, descreve o controle quântico - o processo de usar chips como transmons para construir computadores quânticos - estendendo a analogia "subir uma escada". "Para obter um sistema quântico útil, você precisa se imaginar subindo em uma escada segurando um copo d'água - funciona se alguém fizer isso suavemente, mas se você fizer isso muito rápido, a água derrama. Certamente, isso requer uma habilidade especial. "

Os pesquisadores descobriram que, no mundo quântico, o truque para subir a escada rapidamente sem derramar água é pular cuidadosamente dois degraus de cada vez. Este atalho na escada de energia foi alcançado fazendo o transmon absorver dois fótons de microondas ao mesmo tempo. As leis da natureza restringem a rapidez com que qualquer troca de energia quântica pode ocorrer, mesmo com atalhos, uma restrição chamada de "limite de velocidade quântica". Para seu deleite, os cientistas da Aalto descobriram que seu novo método resultou em mudanças no nível de energia que ocorreram em velocidades próximas a esse limite calculado teoricamente.

O impacto mais amplo do controle de transferências de energia em alta velocidade em sistemas quânticos também é emocionante para a equipe. De potencialmente alta importância são os aplicativos de computação quântica e simulação quântica, que requer operações rápidas e altamente robustas, como preparação de estado e a criação de portas quânticas. Dr. Paraoanu vê outras oportunidades, também:"Gostaríamos de entender mais profundamente os processos relacionados à transferência de energia, que são onipresentes no mundo natural e na tecnologia que nos rodeia. Por exemplo, existe algum limite fundamental para a rapidez com que podemos carregar a bateria de um carro elétrico? "No campo de rápido desenvolvimento das tecnologias quânticas, é possível que esse novo método de controle encontre vários aplicativos.