Pesquisadores da Universidade de Chicago e do Laboratório Nacional de Argonne inventaram uma maneira inovadora de diferentes tipos de tecnologia quântica "conversarem" entre si usando o som. O estudo, publicado em 11 de fevereiro em Física da Natureza , é um passo importante para aproximar a tecnologia quântica da realidade.

Os pesquisadores estão de olho nos sistemas quânticos, que utiliza o comportamento peculiar das menores partículas como a chave para uma geração fundamentalmente nova de eletrônica em escala atômica para computação e comunicação. Mas um desafio persistente tem sido a transferência de informações entre diferentes tipos de tecnologia, como memórias quânticas e processadores quânticos.

"Abordamos essa questão perguntando:Podemos manipular e conectar estados quânticos da matéria com ondas sonoras?" disse o autor sênior do estudo David Awschalom, o Liew Family Professor do Instituto de Engenharia Molecular e cientista sênior do Argonne National Laboratory.

Uma maneira de executar uma operação de computação quântica é usar "spins" - uma propriedade de um elétron que pode estar ativo, para baixo ou ambos. Os cientistas podem usá-los como zeros e uns na linguagem de programação de computador binária de hoje. Mas obter essas informações em outro lugar requer um tradutor, e os cientistas pensaram que as ondas sonoras poderiam ajudar.

"O objetivo é acoplar as ondas sonoras com os spins dos elétrons no material, "disse o estudante Samuel Whiteley, o co-primeiro autor no artigo. "Mas o primeiro desafio é fazer com que os giros prestem atenção." Então, eles construíram um sistema com eletrodos curvos para concentrar as ondas sonoras, como usar uma lente de aumento para focar um ponto de luz.

Os resultados foram promissores, mas eles precisavam de mais dados. Para ter uma visão melhor do que estava acontecendo, eles trabalharam com cientistas do Center for Nanoscale Materials em Argonne para observar o sistema em tempo real. Essencialmente, eles usaram extremamente brilhantes, poderosos raios-X do síncrotron gigante do laboratório, a Fonte Avançada de Fótons, como um microscópio para observar os átomos dentro do material conforme as ondas sonoras se moviam através dele a quase 7, 000 quilômetros por segundo.

"Este novo método nos permite observar a dinâmica atômica e a estrutura em materiais quânticos em escalas de comprimento extremamente pequenas, "disse Awschalom." Este é um dos poucos locais em todo o mundo com a instrumentação para observar diretamente os átomos se movendo em uma rede conforme as ondas sonoras passam por eles. "

Um dos muitos resultados surpreendentes, os pesquisadores disseram, foi que os efeitos quânticos das ondas sonoras eram mais complicados do que eles haviam imaginado. Para construir uma teoria abrangente por trás do que eles estavam observando no nível subatômico, eles se voltaram para a Prof. Giulia Galli, o Liew Family Professor no IME e um cientista sênior em Argonne. Modelar o sistema envolve organizar as interações de cada partícula do sistema, que cresce exponencialmente, Awschalom disse, "mas o professor Galli é um especialista mundial em pegar esse tipo de problema desafiador e interpretar a física subjacente, o que nos permitiu melhorar ainda mais o sistema. "

Normalmente é difícil enviar informações quânticas para mais do que alguns mícrons, disse Whiteley - essa é a largura de um único fio de seda de aranha. Essa técnica pode estender o controle a todo um chip ou wafer.

"Os resultados nos deram novas maneiras de controlar nossos sistemas, e abre locais de pesquisa e aplicações tecnológicas, como sensor quântico, "disse o pesquisador de pós-doutorado Gary Wolfowicz, o outro co-primeiro autor do estudo.

A descoberta é outra do programa líder mundial da Universidade de Chicago em engenharia e ciência da informação quântica; Awschalom está atualmente liderando um projeto para construir uma rede quântica de "teletransporte" entre Argonne e o Laboratório Nacional do Acelerador Fermi para testar os princípios de um sistema de comunicações potencialmente inquebrável.