Fotografia em ângulo do dispositivo totalmente embalado. O chip superior (mecânico) é fixado com a face para baixo no chip inferior (qubit) por um polímero adesivo. Crédito:Agnetta Cleland
Pesquisadores da Universidade de Stanford desenvolveram um dispositivo experimental chave para futuras tecnologias baseadas em física quântica que empresta uma página de dispositivos mecânicos atuais e cotidianos.
Confiáveis, compactos, duráveis e eficientes, os dispositivos acústicos aproveitam o movimento mecânico para realizar tarefas úteis. Um excelente exemplo de tal dispositivo é o oscilador mecânico. Quando deslocados por uma força – como o som, por exemplo – os componentes do dispositivo começam a se mover para frente e para trás em relação à sua posição original. Criar esse movimento periódico é uma maneira prática de manter o tempo, filtrar sinais e detectar movimento em eletrônicos onipresentes, incluindo telefones, computadores e relógios.
Os pesquisadores procuraram trazer os benefícios dos sistemas mecânicos para as escalas extremamente pequenas do misterioso reino quântico, onde os átomos interagem delicadamente e se comportam de maneiras contra-intuitivas. Para esse fim, pesquisadores de Stanford liderados por Amir Safavi-Naeini demonstraram novos recursos acoplando minúsculos osciladores nanomecânicos a um tipo de circuito que pode armazenar e processar energia na forma de um qubit, ou "bit" quântico de informação. Usando o qubit do dispositivo, os pesquisadores podem manipular o estado quântico de osciladores mecânicos, gerando os tipos de efeitos mecânicos quânticos que um dia poderão capacitar a computação avançada e sistemas de detecção ultraprecisos.
"Com este dispositivo, mostramos um próximo passo importante na tentativa de construir computadores quânticos e outros dispositivos quânticos úteis baseados em sistemas mecânicos", disse Safavi-Naeini, professor associado do Departamento de Física Aplicada da Escola de Humanidades de Stanford e Ciências. Safavi-Naeini é autora sênior de um novo estudo publicado em 20 de abril na revista
Nature descrevendo os achados. "Estamos essencialmente procurando construir sistemas 'mecânicos quânticos' mecânicos", disse ele.
Acumulando efeitos quânticos em chips de computador Os primeiros autores conjuntos do estudo, Alex Wollack e Agnetta Cleland, ambos Ph.D. candidatos em Stanford, liderou o esforço para desenvolver este novo hardware quântico baseado em mecânica. Usando as Instalações Compartilhadas do Stanford Nano no campus, os pesquisadores trabalharam em salas limpas enquanto vestiam os "trajes de coelho" brancos que cobriam o corpo, usados nas fábricas de semicondutores, a fim de evitar que impurezas contaminassem os materiais sensíveis em jogo.
Com equipamentos especializados, Wollack e Cleland fabricaram componentes de hardware em resoluções de escala nanométrica em dois chips de computador de silício. Os pesquisadores então juntaram os dois chips para que os componentes do chip inferior ficassem voltados para os da metade superior, em estilo sanduíche.
No chip inferior, Wollack e Cleland criaram um circuito supercondutor de alumínio que forma o qubit do dispositivo. O envio de pulsos de micro-ondas para este circuito gera fótons (partículas de luz), que codificam um qubit de informação no dispositivo. Ao contrário dos dispositivos elétricos convencionais, que armazenam bits como tensões representando 0 ou 1, os qubits em dispositivos de mecânica quântica também podem representar combinações ponderadas de 0 e 1 simultaneamente. Isso ocorre por causa do fenômeno da mecânica quântica conhecido como superposição, onde um sistema quântico existe em vários estados quânticos ao mesmo tempo até que o sistema seja medido.
"A forma como a realidade funciona no nível da mecânica quântica é muito diferente da nossa experiência macroscópica do mundo", disse Safavi-Naeini.
O chip superior contém dois ressonadores nanomecânicos formados por estruturas cristalinas suspensas, semelhantes a pontes, com apenas algumas dezenas de nanômetros – ou bilionésimos de metro – de comprimento. Os cristais são feitos de niobato de lítio, um material piezoelétrico. Materiais com essa propriedade podem converter uma força elétrica em movimento, o que no caso deste dispositivo significa que o campo elétrico transmitido pelo fóton qubit é convertido em um quantum (ou uma única unidade) de energia vibracional chamada fônon.
Ilustração conceitual de um estado de Bell, no qual uma unidade de energia vibracional é compartilhada entre dois osciladores. O sistema existe em dois estados possíveis simultaneamente:o primeiro estado quântico possível (entre parênteses, à esquerda do sinal de mais) mostra o oscilador direito vibrando e o oscilador esquerdo parado. O segundo estado possível mostra a energia vibracional ocupando o oscilador esquerdo, com o direito ainda. O dispositivo existe em uma superposição de ambos os estados possíveis - o que significa que cada oscilador está se movendo e não se movendo ao mesmo tempo - até que seja medido. Uma medição do sistema produziria apenas um dos dois resultados descritos (entre colchetes):Se o oscilador da esquerda estivesse vibrando, a mão direita estaria necessariamente parada e vice-versa. Isso ilustra o emaranhamento entre os dois osciladores:Ao realizar uma medição para obter informações sobre o movimento de apenas um oscilador, um observador também determinaria o estado do outro oscilador, sem precisar medi-lo separadamente. Crédito:Agnetta Cleland
"Assim como as ondas de luz, que são quantizadas em fótons, as ondas sonoras são quantizadas em 'partículas' chamadas fônons", disse Cleland, "e combinando a energia dessas diferentes formas em nosso dispositivo, criamos uma tecnologia quântica híbrida que aproveita as vantagens de ambos."
A geração desses fônons permitiu que cada oscilador nanomecânico atuasse como um registrador, que é o menor elemento de retenção de dados possível em um computador, e com o qubit fornecendo os dados. Como o qubit, os osciladores também podem estar em um estado de superposição - eles podem ser excitados (representando 1) e não excitados (representando 0) ao mesmo tempo. O circuito supercondutor permitiu que os pesquisadores preparassem, lessem e modificassem os dados armazenados nos registros, conceitualmente semelhantes ao funcionamento dos computadores convencionais (não quânticos).
"O sonho é fazer um aparelho que funcione da mesma forma que os chips de computador de silício, por exemplo, em seu telefone ou em um pen drive, onde os registradores armazenam bits", disse Safavi-Naeini. “E embora ainda não possamos armazenar bits quânticos em um pen drive, estamos mostrando o mesmo tipo de coisa com ressonadores mecânicos”.
Aproveitando o emaranhamento Além da superposição, a conexão entre os fótons e os ressonadores no dispositivo alavancou ainda mais outro importante fenômeno da mecânica quântica chamado emaranhamento. O que torna os estados emaranhados tão contra-intuitivos, e também notoriamente difíceis de criar no laboratório, é que as informações sobre o estado do sistema são distribuídas por vários componentes. Nesses sistemas, é possível saber tudo sobre duas partículas juntas, mas nada sobre uma das partículas observadas individualmente. Imagine duas moedas que são lançadas em dois lugares diferentes, e que são observadas dando cara ou coroa aleatoriamente com igual probabilidade, mas quando as medidas nos diferentes lugares são comparadas, elas estão sempre correlacionadas; isto é, se uma moeda der coroa, a outra moeda é garantida para dar cara.
A manipulação de vários qubits, todos em superposição e emaranhados, é o único golpe que alimenta a computação e a detecção em tecnologias baseadas em quânticas procuradas. "Sem superposição e muito emaranhamento, você não pode construir um computador quântico", disse Safavi-Naeini.
Para demonstrar esses efeitos quânticos no experimento, os pesquisadores de Stanford geraram um único qubit, armazenado como um fóton no circuito do chip inferior. O circuito foi então autorizado a trocar energia com um dos osciladores mecânicos no chip superior antes de transferir as informações restantes para o segundo dispositivo mecânico. Ao trocar energia dessa maneira – primeiro com um oscilador mecânico e depois com o segundo oscilador – os pesquisadores usaram o circuito como uma ferramenta para emaranhar mecanicamente os dois ressonadores mecânicos um com o outro.
"A bizarrice da mecânica quântica está em plena exibição aqui", disse Wollack. "Não apenas o som vem em unidades discretas, mas uma única partícula de som pode ser compartilhada entre os dois objetos macroscópicos emaranhados, cada um com trilhões de átomos se movendo - ou não se movendo - em conjunto."
Para eventualmente realizar cálculos práticos, o período de emaranhamento sustentado, ou coerência, precisaria ser significativamente maior – na ordem de segundos em vez das frações de segundos alcançadas até agora. A superposição e o emaranhamento são condições altamente delicadas, vulneráveis até mesmo a pequenas perturbações na forma de calor ou outra energia e, portanto, dotam os dispositivos de sensoriamento quântico propostos com sensibilidade requintada. Mas Safavi-Naeini e seus co-autores acreditam que tempos de coerência mais longos podem ser facilmente alcançados aprimorando os processos de fabricação e otimizando os materiais envolvidos.
"Melhoramos o desempenho do nosso sistema nos últimos quatro anos em quase 10 vezes por ano", disse Safavi-Naeini. “Avançando, continuaremos a dar passos concretos para criar dispositivos mecânicos quânticos, como computadores e sensores, e trazer os benefícios dos sistemas mecânicos para o domínio quântico”.
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