Pesquisadores ‘dividem’ fônons em direção a um novo tipo de computador quântico

Por UniversityOfChicago
Publicado no Phys.org

Quando ouvimos nossa música favorita, o que soa como uma onda contínua de música é na verdade transmitido como pequenos pacotes de partículas quânticas chamadas fônons.

As leis da mecânica quântica sustentam que as partículas quânticas são fundamentalmente indivisíveis e, portanto, não podem ser divididas, mas pesquisadores da Pritzker School of Molecular Engineering (PME) da Universidade de Chicago estão explorando o que acontece quando você tenta dividir um fônon.

Em dois experimentos – os primeiros desse tipo – uma equipe liderada pelo Prof. Andrew Cleland usou um dispositivo chamado divisor de feixe acústico para “dividir” fônons e, assim, demonstrar suas propriedades quânticas. Ao mostrar que o divisor de feixe pode ser usado tanto para induzir um estado especial de superposição quântica para um fônon quanto para criar interferência entre dois fônons, a equipe de pesquisa deu os primeiros passos críticos para a criação de um novo tipo de computador quântico.

Os resultados são publicados na revista Science e construídos em anos de trabalho inovador em fônons pela equipe da Pritzker Molecular Engineering.

“Dividindo” um fônon em uma superposição

Nos experimentos, os pesquisadores usaram fônons que têm um tom aproximadamente um milhão de vezes mais alto do que o ouvido humano pode ouvir. Anteriormente, Cleland e sua equipe descobriram como criar e detectar fônons únicos e foram os primeiros a emaranhar dois fônons.

Para demonstrar as capacidades quânticas desses fônons, a equipe – incluindo o aluno de pós-graduação de Cleland, Hong Qiao – criou um divisor de feixe que pode dividir um feixe de som ao meio, transmitindo a metade e refletindo a outra metade de volta à sua fonte (os divisores de feixe já existem para a luz e têm usado para demonstrar as capacidades quânticas dos fótons). Todo o sistema, incluindo dois qubits para gerar e detectar fônons, opera em temperaturas extremamente baixas e usa fônons de ondas acústicas de superfície individuais, que viajam na superfície de um material, neste caso o niobato de lítio.

No entanto, a física quântica diz que um único fônon é indivisível. Então, quando a equipe enviou um único fônon para o divisor de feixe, em vez de se dividir, ele entrou em uma superposição quântica, um estado em que o fônon é refletido e transmitido ao mesmo tempo. Observar (medir) o fônon faz com que esse estado quântico entre em colapso em uma das duas saídas.

A equipe encontrou uma maneira de manter esse estado de superposição capturando o fônon em dois qubits. Um qubit é a unidade básica de informação na computação quântica. Apenas um qubit realmente captura o fônon, mas os pesquisadores não podem dizer qual qubit até a pós-medição. Em outras palavras, a superposição quântica é transferida do fônon para os dois qubits. Os pesquisadores mediram essa superposição de dois qubits, produzindo “prova padrão-ouro de que o divisor de feixe está criando um estado quântico emaranhado”, disse Cleland.

Mostrando que os fônons se comportam como fótons

No segundo experimento, a equipe queria mostrar um efeito quântico fundamental adicional que havia sido demonstrado pela primeira vez com fótons na década de 1980. Agora conhecido como efeito Hong-Ou-Mandel, quando dois fótons idênticos são enviados de direções opostas para um divisor de feixe ao mesmo tempo, as saídas superpostas interferem de modo que ambos os fótons sempre são encontrados viajando juntos, em uma ou outra direção de saída.

É importante ressaltar que o mesmo aconteceu quando a equipe fez o experimento com fônons – a saída sobreposta significa que apenas um dos dois qubits do detector captura fônons, indo para um lado, mas não para o outro. Embora os qubits só tenham a capacidade de capturar um único fônon por vez, não dois, o qubit colocado na direção oposta nunca “ouve” um fônon, provando que ambos os fônons estão indo na mesma direção. Este fenômeno é chamado de interferência de dois fônons.

Colocar fônons nesse estado quântico emaranhado é um salto muito maior do que fazê-lo com fótons. Os fônons usados ​​aqui, embora indivisíveis, ainda requerem quatrilhões de átomos trabalhando juntos de uma maneira  quântica. E se a mecânica quântica governa a física apenas no menor reino, ela levanta questões sobre onde esse reino termina e a física clássica começa; este experimento investiga ainda mais essa transição.

“Todos esses átomos têm que se comportar de forma coerente para suportar o que a mecânica quântica diz que eles devem fazer”, disse Cleland. “É incrível. Os aspectos bizarros da mecânica quântica não são limitados pelo tamanho.”

Criando um novo computador quântico mecânico linear

O poder dos computadores quânticos reside na “estranheza” do reino quântico. Ao aproveitar os estranhos poderes quânticos de superposição e emaranhamento, os pesquisadores esperam resolver problemas anteriormente intratáveis. Uma abordagem para fazer isso é usar fótons, no que é chamado de “computador quântico óptico linear”.

Um computador quântico linear mecânico – que usaria fônons em vez de fótons – poderia ter a capacidade de computar novos tipos de cálculos. “O sucesso do experimento de interferência de dois fônons é a peça final que mostra que os fônons são equivalentes aos fótons”, disse Cleland. “O resultado confirma que temos a tecnologia necessária para construir um computador quântico mecânico linear”.

Ao contrário da computação quântica óptica linear baseada em fótons, a plataforma da Universidade de Chicago integra fônons diretamente com qubits. Isso significa que os fônons podem fazer parte de um computador quântico híbrido que combina o melhor dos computadores quânticos lineares com o poder dos computadores quânticos baseados em qubit.

O próximo passo é criar uma porta lógica – uma parte essencial da computação – usando fônons, sobre a qual Cleland e sua equipe estão realizando pesquisas.

Outros autores no papel incluem É. Dumur, G. Andersson, H. Yan, M.-H. Chou, J. Grebel, CR Conner, YJ Joshi, JM Miller, RG Povey e X. Wu.