O processamento de informações quânticas (QI) pode ser o próximo divisor de águas na evolução da tecnologia, fornecendo recursos computacionais, segurança e sensibilidades de detecção sem precedentes. Qubits, o elemento básico de hardware para informação quântica, são o bloco de construção para computadores quânticos e processamento de informação quântica, mas ainda há muito debate sobre quais tipos de qubits são realmente os melhores.

A pesquisa e o desenvolvimento neste campo estão crescendo em ritmos surpreendentes para ver qual sistema ou plataforma supera o outro. Para mencionar algumas, plataformas tão diversas como junções Josephson supercondutoras, íons aprisionados, qubits topológicos, átomos neutros ultrafrios ou mesmo lacunas de diamante constituem o zoológico de possibilidades para fazer qubits.

Até agora, apenas um punhado de plataformas qubit demonstrou ter potencial para computação quântica, marcando a lista de verificação de portas controladas de alta fidelidade, fácil acoplamento qubit-qubit e bom isolamento do ambiente, o que significa coerência suficientemente longa .

Os ressonadores nanomecânicos podem fazer parte de um punhado de plataformas. São osciladores, como molas e cordas (por exemplo, guitarras) que ao serem acionados, criam sons harmônicos ou anarmônicos dependendo da força do acionamento. Mas o que acontece quando resfriamos um nano ressonador até a temperatura do zero absoluto ?

Os níveis de energia do oscilador tornam-se quantizados e o ressonador vibra com seu movimento de ponto zero característico. O movimento do ponto zero surge do princípio da incerteza de Heisenberg. Em outras palavras, um ressonador mantém o movimento mesmo quando está no estado fundamental . A realização de um qubit mecânico é possível se os níveis de energia quantizados de um ressonador não estiverem espaçados uniformemente.

O desafio é manter os efeitos não lineares grandes o suficiente no regime quântico, onde o deslocamento do ponto zero do oscilador é minúsculo. Se isso for alcançado, o sistema pode ser usado como qubit, manipulando-o entre os dois níveis quânticos mais baixos sem conduzi-lo a estados de energia mais altos.

Por muitos anos, houve muito interesse em realizar um sistema qubit com um nano ressonador mecânico. Em 2021, Fabio Pistolesi (Univ. Bordeaux-CNRS), Andrew N. Cleland (Univ. Chicago) e ICFO Prof. ponto quântico sob um regime de acoplamento ultraforte.

Esses resultados teóricos provaram que esses ressonadores nanomecânicos poderiam de fato se tornar candidatos ideais para qubits. Por que? Como eles demonstraram apresentar longos tempos de coerência, um "obrigatório" definitivo para a computação quântica.

Levando em consideração que havia um arcabouço teórico para trabalhar, o desafio agora era realmente fazer um qubit de um ressonador mecânico e encontrar as condições e parâmetros adequados para controlar as não linearidades no sistema.

Após vários anos de trabalho interminável nesses sistemas, os desafios de realizar isso experimentalmente deram sua primeira luz verde muito bem-vinda. Em um estudo recente publicado na Nature Physics , os pesquisadores do ICFO Chandan Samanta, Sergio Lucio de Bonis, Christoffer Moller, Roger Tormo-Queralt, W. Yang, Carles Urgell, liderados pelo Prof. Adrian Bachtold do ICFO, em colaboração com os pesquisadores B. Stamenic e B. Thibeault da University of California Santa Barbara, Y. Jin da Université Paris-Saclay-CNRS, DA Czaplewski do Argonne National Laboratory e F. Pistolesi da Univ. Bordeaux-CNRS, alcançou os primeiros passos pré-experimentais para a realização futura de um qubit mecânico, demonstrando um novo mecanismo para aumentar a anarmonicidade de um oscilador mecânico em seu regime quântico.

A equipe de pesquisadores fabricou um dispositivo de nanotubos suspensos de aproximadamente 1,4 micrômetro de comprimento, com suas extremidades enganchadas nas bordas de dois eletrodos. Eles definiram um ponto quântico, que é um sistema eletrônico de dois níveis no nanotubo vibrante, criando eletrostaticamente junções de túnel em ambas as extremidades do nanotubo suspenso.

Então, ajustando a voltagem no eletrodo de porta, eles permitiram o fluxo de apenas um elétron por vez no nanotubo. O movimento mecânico do nanotubo foi então acoplado ao elétron único no regime de tunelamento de elétron único. Este acoplamento eletromecânico criou anarmonicidade ao sistema mecânico.

Posteriormente, eles diminuíram a temperatura para mK (milikelvins, quase zero absoluto) e entraram em um regime de acoplamento ultraforte, onde cada elétron adicional no nanotubo deslocou a posição de equilíbrio do nanotubo para longe de sua amplitude de ponto zero. Com uma amplitude de apenas um fator de 13 sobre o movimento do ponto zero, eles foram capazes de perceber essas vibrações não lineares.

Os resultados são surpreendentes porque as vibrações presentes em outros ressonadores, resfriados ao estado fundamental quântico, mostraram-se não lineares apenas em amplitudes aproximadamente 10 6 vezes maiores que seu movimento de ponto zero.

Este novo mecanismo apresenta uma física notável porque, ao contrário do que se esperava, a anarmonicidade aumenta à medida que as vibrações são resfriadas próximo ao estado fundamental. Isso é exatamente o oposto do que foi observado em todos os outros ressonadores mecânicos até agora. Como diz o primeiro autor Chandan Samanta, "quando os pesquisadores começaram a estudar os ressonadores nanomecânicos, uma questão recorrente era se seria possível alcançar não linearidades em vibrações que estão no estado fundamental quântico".

"Alguns pesquisadores de destaque na área argumentaram que isso seria um feito desafiador devido às limitações tecnológicas, e essa visão permaneceu o paradigma aceito até agora. Nesse contexto, nosso trabalho representa um avanço conceitual significativo porque demonstramos que as vibrações não lineares no regime quântico são realmente alcançáveis."

"Estamos confiantes de que os efeitos não lineares poderiam ter sido aprimorados ao nos aproximarmos do estado fundamental quântico, mas estávamos limitados pela temperatura de nosso criostato atual. Nosso trabalho fornece um roteiro para alcançar vibrações não lineares no regime quântico."

Ao contrário do que foi observado até agora em outros ressonadores mecânicos, a equipe de pesquisadores encontrou um método para aumentar a anarmonicidade de um oscilador mecânico próximo ao seu regime quântico. Os resultados deste estudo estabelecem os primeiros passos para o desenvolvimento futuro de qubits mecânicos ou mesmo simuladores quânticos.

Como observa Adrian Bachtold, "É notável que entramos em regime de acoplamento ultraforte e observamos forte anarmonicidade no ressonador. Mas a taxa de amortecimento se torna grande em baixa temperatura devido ao acoplamento do ressonador a um ponto quântico."

"Em experimentos futuros que visam estados de gato e qubits mecânicos, será vantajoso acoplar vibrações de nanotubos a um ponto quântico duplo, uma vez que permite fortes não linearidades junto com estados mecânicos de longa duração. ponto quântico é suprimido exponencialmente em baixa temperatura, de modo que deve ser possível atingir uma taxa de amortecimento de 10 Hz medida em nanotubos em baixa temperatura."