Os físicos da Universität Regensburg acoplaram as vibrações de uma macromolécula - um nanotubo de carbono - a uma cavidade de microondas, criando um sistema optomecânico novo e altamente miniaturizado. A equipe do Dr. Andreas K. Hüttel conseguiu isso usando a quantização da carga elétrica, ou seja, que é transportado por elétrons individuais, como um mecanismo de amplificador forte. Suas descobertas foram publicadas em 2 de abril em Nature Communications . Eles representam um passo importante para combinar tecnologias quânticas completamente diferentes, Como, por exemplo., qubits de spin de elétrons e qubits supercondutores, em um dispositivo.

Normalmente, acoplar o movimento de uma macromolécula, como um nanotubo de carbono, às microondas é difícil. Porque? Como os comprimentos de onda eletromagnéticos usados ​​em dispositivos de computação quântica ou eletrodinâmica quântica de cavidade, trabalhando em frequências GHz, estão na faixa dos milímetros. Um dispositivo nanotubo típico, útil tanto para capturar elétrons em estados quânticos conhecidos quanto como um ressonador vibracional, tem menos de um micrômetro de comprimento, com amplitudes de vibração abaixo de um nanômetro. Como resultado dessa incompatibilidade de tamanhos, o movimento do nanotubo simplesmente não modifica muito o campo eletromagnético de uma cavidade de micro-ondas. O acoplamento previsto pela teoria optomecânica padrão é mínimo.

Ainda, alcançar tal acoplamento e controlá-lo, sem conduzir o nanotubo a grandes amplitudes de vibração, é, por muitos motivos, uma ideia atraente. Um nanotubo é um excelente ressonador de cordas, armazenar energia por muito tempo; sua vibração poderia ser usada para traduzir informações quânticas entre graus de liberdade fundamentalmente diferentes. E tanto elétrons com armadilha única quanto circuitos de micro-ondas supercondutores são candidatos importantes para arquiteturas de computação quântica.

O experimento de Regensburg, publicado como um artigo de acesso aberto, mostrou que a interação entre os dois sistemas, vibração e campo eletromagnético, pode ser amplificado por um fator de 10, 000 em comparação com previsões geométricas simples. Isso é conseguido usando a chamada capacitância quântica:a corrente é transportada por elétrons discretos, o que significa que carregar um capacitor muito pequeno, como um nanotubo, não acontece continuamente, mas em etapas. Ao escolher um ponto de trabalho na curva em forma de degrau, o acoplamento optomecânico é controlável, e pode ser ligado e desligado rapidamente.

"Implementamos o chamado sistema optomecânico acoplado dispersivamente - novo e empolgante por um lado, por causa da miniaturização da parte mecânica e dos efeitos do elétron único, mas bem conhecido por outro lado, uma vez que existe um grande corpo de pesquisa teórica e experimental em sistemas optomecânicos maiores (até escalas macroscópicas), "diz o Dr. Hüttel, atualmente em uma estadia de pesquisa na Aalto University, Finlândia. "A interação optomecânica pode ser usada para resfriar a vibração, para detectá-lo de uma forma altamente sensível, para amplificação de sinais, ou mesmo para a preparação arbitrária de estados quânticos. Nossos resultados indicam que o controle quântico da vibração de nanotubos semelhantes a cordas será alcançável em um futuro próximo. E isso o torna muito atraente como uma espécie de painel de controle quântico, combinando fenômenos quânticos muito diferentes. "