Novo hardware integra componentes mecnicos tecnologia quntica

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Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 02/05/2022

Novo hardware integra componentes mec

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

Do clssico ao quntico

Uma rea central de pesquisas hoje na fsica envolve a identificao da fronteira entre o mundo quntico e o mundo clssico, uma vez que o comportamento da matria muito diferente quando se passa da escala humana para a escala atmica.

Experimentos que tentam fazer o entrelaamento quntico entre objetos grandes so centrais nesses estudos, para tentar ver se os bizarros comportamentos das partculas qunticas se mantm 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 mecnica quntica usando componentes mecnicos em escala macro.

Acoplando minsculos osciladores nanomecnicos – pequenos dispositivos vibratrios – a um circuito em escala macro, a equipe criou um dispositivo que capaz de armazenar e processar energia na forma de um qubit, ou “bit” quntico de informao.

Usando o qubit do dispositivo, os pesquisadores podem manipular o estado quntico dos osciladores mecnicos, gerando os tipos de efeitos que esto na base dos computadores qunticos, como o entrelaamento e a superposio.

“Com este dispositivo, mostramos um prximo passo importante na tentativa de construir computadores qunticos e outros dispositivos qunticos teis baseados em sistemas mecnicos,” disse o professor Amir Safavi-Naeini. “Estamos essencialmente procurando construir sistemas ‘mecnicos qunticos’ mecnicos.”

Juno do clssico com o quntico

Os componentes desse hardware inusitado foram fabricados em resoluo de escala nanomtrica em dois chips de silcio. Os pesquisadores ento juntaram os dois chips, para que os componentes do chip inferior ficassem voltados para os da metade superior, no estilo de um sanduche.

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

Ao contrrio das memrias eletrnicas convencionais, que armazenam bits como tenses representando 0 ou 1, os qubits tambm podem representar combinaes ponderadas de 0 e 1 simultaneamente, graas ao fenmeno da mecnica quntica conhecido como superposio, onde um sistema quntico existe em vrios estados qunticos ao mesmo tempo – at que o sistema seja medido, quando ele ento colapsa em um valor especfico.

No chip superior, a equipe construiu dois ressonadores mecnicos, formados por estruturas cristalinas suspensas, semelhantes a pontes, com apenas algumas dezenas de nanmetros de comprimento. Essas estruturas so feitas de niobato de ltio, um material piezoeltrico. Materiais com essa propriedade podem converter uma fora eltrica em movimento, o que no caso deste dispositivo significa que o campo eltrico transmitido pelo fton do qubit convertido em um quantum (ou uma nica unidade) de energia vibracional, chamada fnon.

“Assim como as ondas de luz, que so quantizadas em ftons, as ondas sonoras so quantizadas em ‘partculas’ chamadas fnons,” detalhou Cleland, “E, combinando a energia dessas diferentes formas em nosso dispositivo, criamos uma tecnologia quntica hbrida que aproveita as vantagens de ambos.”

Novo hardware integra componentes mec

Ilustrao de um estado de Bell, no qual uma unidade de energia vibracional compartilhada entre dois osciladores. O sistema existe em dois estados possveis simultaneamente: O primeiro estado quntico possvel ( esquerda do sinal de mais) mostra o oscilador direito vibrando e o oscilador esquerdo parado. O segundo estado possvel ( direita) mostra a energia vibracional ocupando o oscilador esquerdo, com o direito parado. O dispositivo existe em uma superposio de ambos os estados possveis, o que significa que cada oscilador est se movendo e no se movendo ao mesmo tempo.
[Imagem: Agnetta Cleland]

Superposio e emaranhamento

A gerao desses fnons permite que cada oscilador nanomecnico atue como um registrador, que o menor elemento de reteno de dados possvel em um computador, com o detalhe que o qubit que fornece os dados.

Como o qubit, os osciladores tambm podem estar em um estado de superposio – eles podem estar energizados (representando 1) e no energizados (representando 0) ao mesmo tempo. E ainda podem apresentar o entrelaamento quntico – ou emaranhamento -, o que significa que o que acontecer a um dos osciladores afetar 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 (no qunticos).

“A bizarrice da mecnica quntica est totalmente mostra aqui,” disse Wollack. “No apenas o som vem em unidades discretas, mas uma nica partcula de som pode ser compartilhada entre os dois objetos macroscpicos entrelaados, cada um com trilhes de tomos se movendo – ou no se movendo – ao mesmo tempo.”

Para eventualmente realizar clculos prticos, o perodo de entrelaamento sustentado, ou coerncia, precisaria ser significativamente maior – na ordem de segundos em vez das fraes de segundos alcanadas at agora. Mas a equipe est otimista.

“O sonho fazer um aparelho que funcione da mesma forma que os chips de computador de silcio, por exemplo, em seu telefone ou em um pendrive, onde os registradores armazenam bits,” disse Safavi-Naeini. “E, embora ainda no possamos armazenar bits qunticos em um pendrive, estamos mostrando o mesmo tipo de coisa com ressonadores mecnicos.”

Bibliografia:

Artigo: Quantum state preparation and tomography of entangled mechanical resonators
Autores: E. Alex Wollack, Agnetta Y. Cleland, Rachel G. Gruenke, Zhaoyou Wang, Patricio Arrangoiz-Arriola, Amir H. Safavi-Naeini
Revista: Nature
Vol.: 604, pages 463-467
DOI: 10.1038/s41586-022-04500-y

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