Cientistas acabaram de medir um sistema quântico mecânico sem destruí-lo

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Imagem do microscópio óptico do ressonador acústico. Créditos: Uwe von Lüpke et al., Nat Phys, 2022.

Por David Nield
Publicado na ScienceAlert

Há um aspecto chave da computação quântica que você pode não ter pensado antes. Chamadas de ‘medidas quânticas sem destruição’, elas se referem à observação de certos estados quânticos sem destruí-los no processo.

Se quisermos montar um computador quântico em funcionamento, não ter que destruí-lo a cada segundo enquanto os cálculos são feitos obviamente seria útil. Agora, os cientistas descreveram uma nova técnica para registrar medições quânticas sem destruição bastante promissor.

Nesse caso, a pesquisa envolveu sistemas quânticos mecânicos – objetos relativamente grandes em termos de computação quântica, mas extremamente pequenos para nós. Eles usam movimento mecânico (como vibração) para lidar com toda a magia quântica necessária e também podem ser combinados com outros sistemas quânticos.

“Nossos resultados abrem a porta para a execução de algoritmos quânticos ainda mais complexos usando sistemas mecânicos, como correção de erros quânticos e operações multimodo”, escrevem os pesquisadores em seu estudo publicado.

Para os propósitos deste estudo, a equipe fabricou uma tira fina de safira de alta qualidade, com pouco menos de meio milímetro de espessura. Um fino transdutor piezoelétrico foi usado para excitar ondas acústicas, movendo unidades de energia como fótons que podem, em teoria, ser usadas em processos de computação quântica. Tecnicamente, este dispositivo é conhecido como um ressonador acústico.

Essa foi a primeira parte da montagem do experimento. Para fazer a medição, o ressonador acústico foi acoplado a um qubit supercondutor – aqueles blocos básicos de construção de computadores quânticos que podem conter simultaneamente um valor 1 e 0, e sobre os quais empresas como Google e IBM já construíram computadores quânticos rudimentares.

O dispositivo híbrido da equipe, com o chip ressonador acústico no topo do chip qubit supercondutor. Créditos: Uwe von Lüpke et al., Nat Phys, 2022.

Ao tornar o estado do qubit supercondutor dependente do número de fótons no ressonador acústico, os cientistas puderam medir esse número de fótons sem realmente interagir com eles ou transferir qualquer energia.

Eles o descrevem como semelhante a tocar um teremim, o estranho instrumento musical que não precisa ser tocado para produzir som.

Montar algo equivalente à computação quântica não foi tarefa fácil: os estados quânticos geralmente têm vida curta, e parte da inovação dessa técnica foi a maneira como esses estados foram prolongados. A equipe fez isso em parte por meio da escolha de materiais e em parte por meio de uma cavidade de alumínio supercondutora que forneceu blindagem eletromagnética.

Em outros experimentos, eles conseguiram extrair o que é conhecido como a ‘medida de paridade’ do sistema quântico mecânico.

A medida de paridade é crucial para uma variedade de tecnologias quânticas, principalmente quando se trata de corrigir erros em sistemas – e nenhum computador pode operar corretamente se estiver cometendo erros regularmente.

“Ao fazer a interface de ressonadores mecânicos com circuitos supercondutores, a acustodinâmica quântica do circuito pode disponibilizar uma variedade de ferramentas importantes para manipular e medir estados quânticos móveis”, escreveram os pesquisadores.

Tudo isso é de alto nível em termos de física quântica, mas a conclusão é que este é um passo importante em uma das tecnologias que podem fornecer uma base para futuros computadores quânticos, principalmente em termos de combinação de diferentes tipos de sistemas.

Um dispositivo híbrido ressonador de qubits, como o descrito neste estudo, oferece potencialmente o melhor de dois campos diferentes de pesquisa: as capacidades computacionais de qubits supercondutores e a estabilidade de sistemas mecânicos. Agora, os cientistas mostraram que as informações podem ser extraídas de tal dispositivo de maneira não destrutiva.

Muito mais trabalho precisa ser feito – uma vez que a tarefa de medir estados tenha sido refinada e concluída, esses estados precisam ser explorados e manipulados para serem de uso real – mas o enorme potencial dos sistemas de computação quântica pode ter acabado de dar mais um passo mais próximo da realidade.

“Aqui demonstramos as medidas diretas da distribuição do número de fônons e da paridade de estados mecânicos não clássicos”, escreveram os pesquisadores. “Essas medições são alguns dos blocos de construção básicos para a construção de memórias e processadores quânticos acústicos”.

A pesquisa foi publicada na Nature Physics.