Pesquisadores desenvolveram sensor de vibração quântica capaz de medir a menor unidade do som

Um sistema que consegue distinguir os fônons, as menores unidades de som, marca um momento importante no desenvolvimento de computadores quânticos mais avançados.

Os computadores quânticos podem um dia fazer coisas difíceis ou impossíveis de serem feitas por computadores comuns, mas hoje são dispositivos relativamente limitados; não há memória quântica utilizável ou interfaces quânticas entre processadores, por exemplo.

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Encontrar uma maneira de mover informações quânticas entre diferentes meios é, portanto, de interesse de muitos pesquisadores ao redor do mundo.

Uma equipe de cientistas de Stanford publicou recentemente os resultados de um sistema que seria capaz de discernir as menores unidades de vibração em um pequeno oscilador usando um bit quântico – um passo importante para uma computação quântica mais avançada.

“Foi realmente animador. Fizemos as medições na véspera de Natal. Eu e o autor principal, Patricio Arrangoiz-Arriola, conversamos sobre isso em 2015 e não sabíamos o que estávamos fazendo, mas ao longo de uma série de trabalhos e medições realmente o desenvolvemos até este ponto”, disse Amir Safavi-Naeini, professor assistente de física aplicada da Universidade de Stanford, ao Gizmodo.

Uma breve explicação sobre o qubit

Se você não sabe o que é um computador quântico ou não está a par do estado atual da computação quântica em geral, eis um pequeno resumo.

Basicamente, os computadores comuns resolvem problemas a partir de um sistema de interação de dois estados que chamamos de bits. Um bit pode apenas ser zero ou um – um dígito binário, que só assume um desses dois valores.

Os computadores quânticos, por sua vez, resolvem outro conjunto de problemas usando bits quânticos, ou qubtis.

Qubits também são assumem dois estados quando você os calcula, mas durante o processamento, eles podem assumir um estado intermediário entre as duas opções (com alguma probabilidade inerente influenciando qual delas é calculada).

Pode haver uma superposição dos bits quânticos e se misturarem de tal forma que múltiplos valores de qubit se tornem mais correlacionados do que a probabilidade normal possibilitaria. Com isso, certas combinações de valores de qubit poderiam se tornar mais prováveis e outras se tornem vedadas.

É como se os bits de computador normais fossem ponderados, e os valores que você calcula fossem assustadoramente correlacionados.

Voltando as fônons

Enquanto isso, os fônons são unidades individuais de som ou energia vibracional (semelhante a como os fótons são unidades individuais de luz ou energia eletromagnética).

Como são objetos quânticos, os fônons também seguem as regras da mecânica quântica. Você pode imaginar um qubit onde seus diferentes “estados” são representados pela presença de um ou dois fônons.

É especialmente difícil resolver esses diferentes estados de fônon – isso exigiria uma espécie de microfone superpreciso, com uma sensibilidade maior do que a energia de um fônon.

Mas se os cientistas fossem capazes de fabricar tal microfone, eles conseguiriam adicionar algumas melhorias importantes à funcionalidade do computador quântico.

Se você pudesse converter as informações de um qubit em fônons, seria possível encontrar maneiras de armazenar temporariamente essas informações quânticas, ou convertê-las ainda mais em fônons para enviar um link quântico.

É basicamente isso o que os pesquisadores de Stanford conseguiram mostrar. Eles construíram pequenos osciladores com regiões especialmente projetadas que prendiam unidades individuais de energia quando o sistema era mantido a temperaturas super-refrigeradas.

Esses osciladores foram ligados a saídas supercondutoras e, em seguida, a um dispositivo de leitura. Ao afinar corretamente o qubit e os osciladores, o qubit assumiu um estado que correspondia ao estado do oscilador, permitindo aos pesquisadores medir indiretamente o número de fônons.

Este é um marco importante, especialmente em um campo repleto de pesquisadores que estão tentando descobrir maneiras para que qubits supercondutores se comuniquem com osciladores mecânicos como este.

“Eles foram capazes de ver a primeira evidência dessa divisão do número de fônons”, disse Robert Schoelkopf, diretor do Instituto Quântico de Yale, ao Gizmodo.

Mas Schoelkopf apontou que, embora haja uma forte relação entre o qubit e o oscilador, isso pode acontecer às custas do tempo de decoerência – a perda da coerência ou ordenamento de ângulos de fase entre componentes de um sistema numa sobreposição quântica.

Deste modo, o sistema perde seu comportamento quântico rapidamente. Aumentar os tempos de coerência é de importância crucial para qualquer dispositivo quântico.

Mas se os tempos de coerência melhorarem, os osciladores mecânicos podem um dia fornecer funcionalidades adicionais importantes aos computadores quânticos. As propostas já sugerem o uso desses osciladores como uma forma de RAM quântica (random access memory) – realmente armazenando estados quânticos.

Muitos cientistas estão pesquisando como transferir dados quânticos entre esses osciladores e sistemas ópticos, bem como como como conectar saídas a componentes eletromagnéticos. Esses osciladores mecânicos fornecem uma ligação entre esses campos e podem expandir as capacidades dos futuros dispositivos quânticos.