Qubit mecânico começa a virar realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/07/2023

A plataforma construída pela equipe acomoda uma matriz de 36 ressonadores mecânicos (os pequenos quadrados no chip central).
[Imagem: ICFO]

Tipos de qubits

Qubits são o elemento básico de hardware para a informação quântica, mas ainda há muito debate sobre quais tipos são realmente os melhores.

A maioria dos computadores quânticos já em funcionamento utiliza qubits supercondutores, mas há também qubits de fótons, elétrons, átomos, moléculas, defeitos no diamante e até um qubit onde não há nada.

E esta lista acaba de crescer.

Chandan Samanta e colegas de uma equipe multi-institucional deram os primeiros passos experimentais para criar um qubit mecânico, na forma de um nanorressonador que confirma que de fato é possível alcançar vibrações não lineares no regime quântico.

O qubit consiste em um nanotubo de carbono que funciona como a corda na brincadeira de pular corda, com suas extremidades agitadas por elétrons presos em pontos quânticos. Os dados ficam guardados na amplitude das oscilações dessa nanocorda. E, como só o centro do nanotubo balança, a estrutura tem um nível baixíssimo de interação com o ambiente, tornando o aparato um qubit muito estável e robusto.

Ter demonstrado a técnica experimentalmente é importante, e a equipe já tem os passos seguintes no roteiro para a adoção desses qubits vibratórios: "Nos experimentos futuros, que visarão estados de gato [de Schrodinger] e qubits mecânicos, será vantajoso acoplar as vibrações dos nanotubos a um ponto quântico duplo, o que permitirá fortes não-linearidades, juntamente com estados mecânicos de longa duração. O amortecimento decorrente do elétron no ponto quântico duplo é exponencialmente suprimido em baixa temperatura, de modo que deve ser possível atingir uma taxa de amortecimento de 10 Hz medida em nanotubos em baixa temperatura."

Este é o esquema de funcionamento do qubit mecânico de nanotubo já na arquitetura com dois pontos quânticos pretendida pela equipe.
[Imagem: Fabio Pistolesi et al. - 10.1103/PhysRevX.11.031027]

Qubit mecânico

Em 2021, a mesma equipe traçou todo o roteiro teórico para criar um qubit mecânico feito com um nanotubo, cuja grande vantagem é a manutenção dos dados por períodos muito longos, o que é uma grande vantagem levando-se em conta que um dos maiores problemas dos computadores quânticos atuais está justamente no ruído, que os faz perder os dados e cometer erros.

Desde então, os pesquisadores vêm trabalhando na transformação daquela teoria em realidade.

Seguindo o projeto, a equipe suspendeu um nanotubo de carbono de aproximadamente 1,4 micrômetro de comprimento entre dois eletrodos. Eles definiram um ponto quântico, que é um sistema eletrônico de dois níveis, sobre o nanotubo vibrante, criando eletrostaticamente junções de túnel em ambas as extremidades do nanotubo suspenso.

Então, ajustando a voltagem no eletrodo de entrada, eles permitiram o fluxo de apenas um elétron por vez no nanotubo. O movimento mecânico do nanotubo foi então acoplado ao elétron único no ponto quântico. Este acoplamento eletromecânico criou anarmonicidade no sistema mecânico - qualquer pêndulo se torna anarmônico se seus desvios do equilíbrio se tornam muito grandes.

Quando a temperatura foi reduzida para a faixa dos mK (milikelvins, quase no zero absoluto), o sistema entrou em um regime de acoplamento ultraforte, onde cada elétron adicional no nanotubo deslocou a posição de equilíbrio do nanotubo para longe de sua amplitude de ponto zero, mas essa amplitude foi variada por um fator de apenas 13 em relação ao movimento do ponto zero. Isso é surpreendente porque as vibrações em outros ressonadores, resfriados ao estado fundamental quântico, mostraram-se não lineares apenas em amplitudes aproximadamente 10⁶ vezes maiores que seu movimento no ponto zero.

Este novo mecanismo apresenta uma física notável porque, ao contrário do que se esperava, a anarmonicidade aumenta à medida que as vibrações são resfriadas próximo ao estado fundamental. Isso é exatamente o oposto do que foi observado em todos os outros ressonadores mecânicos até hoje.

Comprovado que a equipe está na trilha certa rumo ao primeiro qubit mecânico, agora é esperar pela melhoria do experimento já anunciado pela equipe, com a utilização de dois pontos quânticos.

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