Computador quântico baseado em som ganha seu primeiro componente

Com informações da APS - 22/06/2023

Impressão artística de um computador quântico linear (LMQC). O elemento transparente central é o divisor de feixe de fônons. As esferas azuis e vermelhas representam fônons individuais, que são os movimentos mecânicos coletivos de quatrilhões de átomos. Esses movimentos mecânicos podem ser visualizados como ondas acústicas de superfície entrando no divisor de feixe de direções opostas.
[Imagem: Peter Allen/APS]

Fônons em lugar de fótons

Os divisores de feixe, dispositivos que dividem em dois um fluxo de luz, separando fótons de diferentes frequências, são componentes comuns nos laboratórios de óptica e fotônica.

Agora, pesquisadores criaram uma versão dessas "bifurcações quânticas na estrada" capazes de separar fônons, as partículas quantizadas do som.

Esse divisor de feixe de fônons, que faz nada mais nada menos do que permitir criar um tipo totalmente novo de computador quântico, foi criado por Hong Qiao e seus colegas da Universidade de Chicago, nos EUA.

Um divisor de feixe tradicional de fótons pode ser considerado como um espelho meio embaçado, que reflete apenas uma fração do tempo, normalmente 50% - os fótons que chegam podem ricochetear ou avançar. Essas duas opções oferecem caminhos separados para os fótons, que podem ser usados para criar interferência entre um único fóton ou gerar entrelaçamento entre vários fótons, uma etapa essencial para a computação quântica.

A mesma divisão deveria ser possível para todos os objetos quânticos, até mesmo os fônons, mesmo que eles sejam compostos por vibrações de uma quantidade enorme de átomos vibrando em uníssono. "A questão científica básica é se os fônons - que aqui representam o movimento de cerca de 10¹⁵ átomos - realmente se comportam da maneira que a mecânica quântica diz que deveriam," explicou o professor Andrew Cleland, coordenador da equipe.

• Físicos aproximam-se de isolar um quantum de som

Uma imagem de raios X de ondas de som.
[Imagem: Kevin Satzinger/Samuel Whiteley]

Divisor de feixes de som

Os pesquisadores demonstraram a divisão do feixe de fônons usando as chamadas ondas acústicas de superfície, ou ondas de Rayleigh, que são fônons que viajam sobre uma superfície.

Eles começaram com um canal de 2 mm de comprimento, feito de niobato de lítio, sobre o qual os fônons podem viajar em qualquer direção. Nas extremidades esquerda e direita do canal foram instalados qubits supercondutores. Cada qubit foi acoplado a um transdutor, uma espécie de alto-falante/microfone, uma combinação que permite tanto emitir quanto detectar fônons individuais.

O divisor de feixe propriamente dito é uma estrutura em forma de pente, composta por 16 finas barras de metal, ou "dedos". Cada dedo reflete cerca de 3% da energia acústica incidente. Quando essas reflexões estão em fase, essa estrutura age como um espelho coerente, refletindo 16 × 3% - aproximadamente metade da energia. O divisor foi então colocado no centro do canal criado inicialmente.

A equipe confirmou que, depois de interagir com o divisor de feixe, o fônon tinha cerca de 50% de chance de ser refletido para o qubit esquerdo ou transmitido para o qubit direito. De acordo com as regras da mecânica quântica, as duas possibilidades existem em uma superposição de dois estados - fônon movendo-se para a esquerda e fônon movendo-se para a direita - que persiste até que uma medição seja feita.

A equipe já está trabalhando no desenvolvimento dos primeiros elementos para o novo tipo de computador quântico.
[Imagem: Joel Wintermantle]

Computador quântico linear

Também foi realizado um teste clássico de interferência, no qual os dois qubits emitiam fônons simultaneamente. Nesse cenário, os dois fônons devem sair do divisor de feixe na mesma direção - ambos para a esquerda ou ambos para a direita. Os dados confirmaram que essa interferência de dois fônons de fato ocorreu.

O professor Cleland afirma que o divisor de feixe pode ser usado em uma porta lógica, na qual os fônons divididos funcionam como qubits, algo que já está sendo feito com fótons, como feito em um computador quântico óptico demonstrado recentemente.

Isso lança as bases para um tipo totalmente novo de processador quântico, que a equipe chama de "computador mecânico quântico linear", ou LMQC (linear mechanical quantum computer).

Mesmo que um computador quântico totalmente baseado em fônons não se torne realidade tão cedo, a facilidade com que os fônons interagem com os qubits supercondutores sugere que os fônons podem desempenhar um papel em um futuro computador quântico híbrido, sugere Cleland.

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