Ao pensar em sistemas de mecânica quântica, fótons únicos e íons e átomos bem isolados podem vir à mente, ou elétrons se espalhando através de um cristal. Mais exóticos no contexto da mecânica quântica são os sistemas quânticos genuinamente mecânicos; isto é, objetos massivos nos quais o movimento mecânico, como a vibração, é quantizado. Em uma série de experimentos seminais, características da mecânica quântica por excelência foram observadas em sistemas mecânicos, incluindo quantização de energia e emaranhamento.
No entanto, com o objetivo de colocar tais sistemas em uso em estudos fundamentais e aplicações tecnológicas, observar as propriedades quânticas é apenas um primeiro passo. O próximo é dominar o manuseio de objetos quânticos mecânicos, para que seus estados quânticos possam ser controlados, medidos e eventualmente explorados em estruturas semelhantes a dispositivos. O grupo de Yiwen Chu no Departamento de Física da ETH Zurique fez grandes progressos nessa direção. Escrevendo em Física da Natureza , eles relatam a extração de informações de um sistema quântico mecânico sem destruir o precioso estado quântico. Esse avanço abre o caminho para aplicações como correção de erros quânticos e além.

Mecânica quântica maciça

Os físicos da ETH empregam como sistema mecânico uma placa de safira de alta qualidade, com pouco menos de meio milímetro de espessura. Em sua parte superior fica um fino transdutor piezoelétrico que pode excitar ondas acústicas, que são refletidas na parte inferior e, assim, se estendem por um volume bem definido dentro da laje. Essas excitações são o movimento coletivo de um grande número de átomos, mas são quantizadas (em unidades de energia conhecidas como fônons) e podem ser submetidas, pelo menos em princípio, a operações quânticas da mesma maneira que os estados quânticos dos átomos. , fótons e elétrons podem ser.

Curiosamente, é possível fazer a interface do ressonador mecânico com outros sistemas quânticos e com qubits supercondutores em particular. Estes últimos são minúsculos circuitos eletrônicos nos quais os estados de energia eletromagnética são quantizados e atualmente são uma das principais plataformas para a construção de computadores quânticos escaláveis. Os campos eletromagnéticos associados ao circuito supercondutor permitem o acoplamento do qubit ao transdutor piezoelétrico do ressonador acústico e, assim, aos seus estados quânticos mecânicos.

Em tais dispositivos híbridos qubit-ressonator, o melhor de dois mundos pode ser combinado. Especificamente, as capacidades computacionais altamente desenvolvidas de qubits supercondutores podem ser usadas em sincronia com a robustez e longa vida útil dos modos acústicos, que podem servir como memórias quânticas ou transdutores. Para tais aplicações, no entanto, apenas acoplar estados de qubit e ressonador não será suficiente. Por exemplo, uma medição direta do estado quântico no ressonador o destrói, impossibilitando medições repetidas. O que é necessário, em vez disso, é a capacidade de extrair informações sobre o estado quântico mecânico de uma maneira mais suave e bem controlada.

O caminho não destrutivo

Demonstrar um protocolo para as chamadas medições quânticas de não demolição é o que os alunos de doutorado de Chu, Uwe von Lüpke, Yu Yang e Marius Bild, trabalhando com o colega Branco Weiss Matteo Fadel e com o apoio do estudante do projeto do semestre Laurent Michaud, conseguiram agora. Em seus experimentos não há troca direta de energia entre o qubit supercondutor e o ressonador acústico durante a medição. Em vez disso, as propriedades do qubit são feitas para depender do número de fônons no ressonador acústico, sem a necessidade de "tocar" diretamente o estado quântico mecânico - pense em um theremin, o instrumento musical em que o tom depende da posição da mão do músico sem fazer contato físico com o instrumento.

Criar um sistema híbrido no qual o estado do ressonador é refletido no espectro do qubit é altamente desafiador. Existem exigências rigorosas sobre quanto tempo os estados quânticos podem ser mantidos tanto no qubit quanto no ressonador, antes que desapareçam devido a imperfeições e perturbações externas. Portanto, a tarefa da equipe era aumentar os tempos de vida dos estados quânticos do qubit e do ressonador. E eles conseguiram, fazendo uma série de melhorias, incluindo uma escolha cuidadosa do tipo de qubit supercondutor usado e encapsulando o dispositivo híbrido em uma cavidade de alumínio supercondutora para garantir uma blindagem eletromagnética firme.

Informações quânticas de acordo com a necessidade

Tendo empurrado com sucesso seu sistema para o regime operacional desejado (conhecido como "regime dispersivo forte"), a equipe conseguiu extrair suavemente a distribuição do número de fônons em seu ressonador acústico depois de excitá-lo com diferentes amplitudes. Além disso, eles demonstraram uma maneira de determinar em uma única medição se o número de fônons no ressonador é par ou ímpar – a chamada medição de paridade – sem aprender mais nada sobre a distribuição de fônons. A obtenção de informações tão específicas, mas nenhuma outra, é crucial em várias aplicações da tecnologia quântica. Por exemplo, uma mudança na paridade (uma transição de um número ímpar para um número par ou vice-versa) pode sinalizar que um erro afetou o estado quântico e que a correção é necessária. Aqui é essencial, é claro, que o estado a ser corrigido não seja destruído.

Antes que uma implementação de tais esquemas de correção de erros seja possível, no entanto, é necessário um refinamento adicional do sistema híbrido, em particular para melhorar a fidelidade das operações. Mas a correção de erros quânticos não é de longe o único uso no horizonte. Há uma abundância de propostas teóricas interessantes na literatura científica para protocolos de informação quântica, bem como para estudos fundamentais que se beneficiam do fato de que os estados quânticos acústicos residem em objetos massivos. Estes fornecem, por exemplo, oportunidades únicas para explorar o escopo da mecânica quântica no limite de grandes sistemas e para aproveitar os sistemas quânticos mecânicos como um sensor. + Explorar mais

Como testar os limites da mecânica quântica