Cientistas acabaram de mostrar como os computadores quânticos podem ser baseados em ondas sonoras

Uma variedade estranha e maravilhosa de tecnologias está competindo para se tornar o porta-estandarte da computação quântica. O último candidato quer codificar informações quânticas em ondas sonoras.

Uma coisa que todos os computadores quânticos têm em comum é o fato de manipularem informações codificadas em estados quânticos. Mas é aí que as semelhanças terminam, porque esses estados quânticos podem ser induzidos em tudo, desde circuitos supercondutores a íons aprisionados, átomos ultraresfriados, fótons e até mesmo chips de silício.

Embora algumas dessas abordagens tenham atraído mais investimentos do que outras, ainda estamos muito longe de a indústria estabelecer uma plataforma comum. E no mundo da pesquisa acadêmica, a experimentação ainda é abundante.

Agora, uma equipe da Universidade de Chicago deu os primeiros passos cruciais para a construção de um computador quântico que pode codificar informações em fônons, as unidades quânticas fundamentais que compõem as ondas sonoras da mesma maneira que os fótons compõem os feixes de luz.

Os princípios básicos de como você poderia criar um computador quântico "fonônico" são bastante semelhantes aos usados ​​em computadores quânticos "fotônicos". Ambos envolvem gerar e detectar partículas individuais, ou quasipartículas, e manipulá-las usando divisores de feixe e deslocadores de fase. Os fônons são quasipartículas porque, embora atuem como partículas no que diz respeito à mecânica quântica, na verdade são constituídos pelo comportamento coletivo de um grande número de átomos.

O grupo de Chicago já havia demonstrado que poderia gerar fônons individuais usando ondas acústicas de superfície, que viajam pela superfície de um material em frequências cerca de um milhão de vezes maiores do que um ser humano pode ouvir, e usá-las para transferir informações quânticas entre dois qubits supercondutores. .

Mas em um novo artigo na Science, os pesquisadores demonstram o primeiro divisor de feixe fonônico, que, como o nome sugere, é projetado para dividir ondas acústicas. Este componente é um ingrediente crítico para um computador quântico fonônico, pois permite tirar proveito de fenômenos quânticos como superposição, emaranhamento e interferência.

Sua configuração envolve dois qubits supercondutores fabricados em pedaços planos de safira, unidos por um canal feito de niobato de lítio. Cada qubit é conectado por meio de um acoplador sintonizável a um dispositivo chamado transdutor, que converte sinais elétricos em mecânicos.

Isso é usado para gerar vibrações que criam os fônons individuais no canal que conecta os qubits, que apresenta um divisor de feixe feito de 16 dedos paralelos de metal no meio. Toda a configuração é resfriada até um pouco acima do zero absoluto.

Para demonstrar as capacidades de seu sistema, os pesquisadores primeiro excitaram um dos qubits para que ele gerasse um único fônon. Isso viajou ao longo do canal até o divisor de feixe, mas como as partículas quânticas como os fônons são fundamentalmente indivisíveis, em vez de se dividirem, ele entrou em uma superposição quântica.

Isso se refere à capacidade de um sistema quântico de estar em vários estados simultaneamente, até que sejam medidos e colapsem em uma das possibilidades. Nesse caso, o fônon foi refletido de volta ao qubit original e transmitido ao segundo qubit, que foi capaz de capturar o fônon e armazenar a superposição quântica.

Em um segundo experimento, os pesquisadores conseguiram replicar um fenômeno quântico fundamental para a forma como as portas lógicas são criadas em computadores quânticos fotônicos, chamado efeito Hong-Ou-Mandel. Em configurações ópticas, isso envolve dois fótons idênticos sendo alimentados em um divisor de feixe de direções opostas simultaneamente. Ambos então entram em uma superposição, mas essas saídas interferem entre si de tal forma que ambos os fótons acabam viajando juntos para apenas um dos detectores.

Os pesquisadores mostraram que poderiam replicar esse efeito usando fônons e, crucialmente, que poderiam usar os qubits para alterar as características dos fônons para que pudessem controlar em qual direção a saída viaja. Esse é um primeiro passo crucial para a construção de um quantum prático computador, diz Andrew Cleland, que liderou o estudo.