Novo hardware integra componentes mecânicos à tecnologia quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/05/2022

O chip superior (mecânico) é fixado com a face para baixo no chip inferior (qubit) por um polímero adesivo.
[Imagem: Agnetta Cleland]

Do clássico ao quântico

Uma área central de pesquisas hoje na física envolve a identificação da fronteira entre o mundo quântico e o mundo clássico, uma vez que o comportamento da matéria é muito diferente quando se passa da escala humana para a escala atômica.

Experimentos que tentam fazer o entrelaçamento quântico entre objetos grandes são centrais nesses estudos, para tentar ver se os bizarros comportamentos das partículas quânticas se mantêm em corpos maiores.

Agora, Alex Wollack e seus colegas da Universidade de Stanford, nos EUA, levaram esses experimentos a um novo patamar - um patamar que permite explorar a mecânica quântica usando componentes mecânicos em escala macro.

Acoplando minúsculos osciladores nanomecânicos - pequenos dispositivos vibratórios - a um circuito em escala macro, a equipe criou um dispositivo que é capaz de 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 dos osciladores mecânicos, gerando os tipos de efeitos que estão na base dos computadores quânticos, como o entrelaçamento e a superposição.

"Com este dispositivo, mostramos um próximo passo importante na tentativa de construir computadores quânticos e outros dispositivos quânticos úteis baseados em sistemas mecânicos," disse o professor Amir Safavi-Naeini. "Estamos essencialmente procurando construir sistemas 'mecânicos quânticos' mecânicos."

Junção do clássico com o quântico

Os componentes desse hardware inusitado foram fabricados em resolução de escala nanométrica em dois chips de silício. Os pesquisadores então juntaram os dois chips, para que os componentes do chip inferior ficassem voltados para os da metade superior, no estilo de um sanduíche.

No chip inferior, Wollack e sua colega Agnetta Cleland criaram um circuito supercondutor de alumínio que forma o qubit do dispositivo. Energizado por pulsos de micro-ondas, este circuito gera fótons (partículas de luz), que codificam um dado.

Ao contrário das memórias eletrônicas convencionais, que armazenam bits como tensões representando 0 ou 1, os qubits também podem representar combinações ponderadas de 0 e 1 simultaneamente, graças ao 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, quando ele então colapsa em um valor específico.

No chip superior, a equipe construiu dois ressonadores mecânicos, formados por estruturas cristalinas suspensas, semelhantes a pontes, com apenas algumas dezenas de nanômetros de comprimento. Essas estruturas são feitas 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 do qubit é convertido em um quantum (ou uma única unidade) de energia vibracional, chamada fônon.

"Assim como as ondas de luz, que são quantizadas em fótons, as ondas sonoras são quantizadas em 'partículas' chamadas fônons," detalhou Cleland, "E, combinando a energia dessas diferentes formas em nosso dispositivo, criamos uma tecnologia quântica híbrida que aproveita as vantagens de ambos."

Ilustração 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 (à esquerda do sinal de mais) mostra o oscilador direito vibrando e o oscilador esquerdo parado. O segundo estado possível (à direita) mostra a energia vibracional ocupando o oscilador esquerdo, com o direito parado. 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.
[Imagem: Agnetta Cleland]

Superposição e emaranhamento

A geração desses fônons permite que cada oscilador nanomecânico atue como um registrador, que é o menor elemento de retenção de dados possível em um computador, com o detalhe que é o qubit que fornece os dados.

Como o qubit, os osciladores também podem estar em um estado de superposição - eles podem estar energizados (representando 1) e não energizados (representando 0) ao mesmo tempo. E ainda podem apresentar o entrelaçamento quântico - ou emaranhamento -, o que significa que o que acontecer a um dos osciladores afetará imediatamente o outro.

O circuito supercondutor associado, por sua vez, permitiu que os pesquisadores preparassem, lessem e modificassem os dados armazenados nos registros, conceitualmente semelhantes ao funcionamento dos computadores convencionais (não quânticos).

"A bizarrice da mecânica quântica está totalmente à mostra 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 entrelaçados, cada um com trilhões de átomos se movendo - ou não se movendo - ao mesmo tempo."

Para eventualmente realizar cálculos práticos, o período de entrelaçamento sustentado, ou coerência, precisaria ser significativamente maior - na ordem de segundos em vez das frações de segundos alcançadas até agora. Mas a equipe está otimista.

"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 pendrive, onde os registradores armazenam bits," disse Safavi-Naeini. "E, embora ainda não possamos armazenar bits quânticos em um pendrive, estamos mostrando o mesmo tipo de coisa com ressonadores mecânicos."

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