As tecnologias quânticas estão transformando radicalmente nossa compreensão do universo. Uma tecnologia emergente são os osciladores mecânicos macroscópicos, dispositivos vitais em relógios de quartzo, celulares e lasers usados em telecomunicações. No reino quântico, os osciladores macroscópicos podem habilitar sensores e componentes ultrassensíveis para computação quântica, abrindo novas possibilidades para inovação em vários setores.

Controlar osciladores mecânicos no nível quântico é essencial para desenvolver tecnologias futuras em computação quântica e sensoriamento ultrapreciso. Mas controlá-los coletivamente é desafiador, pois requer unidades quase perfeitas, ou seja, idênticas.

A maioria das pesquisas em optomecânica quântica se concentrou em osciladores únicos, demonstrando fenômenos quânticos como resfriamento do estado fundamental e compressão quântica. Mas esse não foi o caso do comportamento quântico coletivo, onde muitos osciladores agem como um. Embora essas dinâmicas coletivas sejam essenciais para criar sistemas quânticos mais poderosos, elas exigem controle excepcionalmente preciso sobre múltiplos osciladores com propriedades quase idênticas.

Cientistas liderados por Tobias Kippenberg na EPFL agora atingiram a meta há muito buscada: eles prepararam com sucesso seis osciladores mecânicos em um estado coletivo, observaram seu comportamento quântico e mediram fenômenos que só surgem quando os osciladores agem como um grupo. A pesquisa, publicada na Science , marca um passo significativo para as tecnologias quânticas , abrindo as portas para sistemas quânticos de larga escala.

"Isso é possível pela desordem extremamente baixa entre as frequências mecânicas em uma plataforma supercondutora, atingindo níveis tão baixos quanto 0,1%", diz Mahdi Chegnizadeh, o primeiro autor do estudo. "Essa precisão permitiu que os osciladores entrassem em um estado coletivo, onde se comportam como um sistema unificado em vez de componentes independentes."

Para permitir a observação dos efeitos quânticos, os cientistas usaram o resfriamento de banda lateral, uma técnica que reduz a energia dos osciladores ao seu estado fundamental quântico — a menor energia possível permitida pela mecânica quântica .

O resfriamento de banda lateral funciona ao projetar um laser em um oscilador, com a luz do laser sintonizada ligeiramente abaixo da frequência natural do oscilador . A energia da luz interage com o sistema vibratório de uma forma que subtrai energia dele. Esse processo é crucial para observar efeitos quânticos delicados, pois reduz as vibrações térmicas e aproxima o sistema da imobilidade.

Ao aumentar o acoplamento entre a cavidade de micro-ondas e os osciladores, o sistema transita da dinâmica individual para a coletiva.

"Mais interessante ainda, ao preparar o modo coletivo em seu estado fundamental quântico, observamos assimetria de banda lateral quântica, que é a marca registrada do movimento coletivo quântico. Normalmente, o movimento quântico é confinado a um único objeto, mas aqui ele abrangeu todo o sistema de osciladores", diz Marco Scigliuzzo, coautor do estudo.

Os pesquisadores também observaram maiores taxas de resfriamento e o surgimento de modos mecânicos "escuros", ou seja, modos que não interagiam com a cavidade do sistema e retinham mais energia.

As descobertas fornecem confirmação experimental de teorias sobre comportamento quântico coletivo em sistemas mecânicos e abrem novas possibilidades para explorar estados quânticos. Elas também têm implicações importantes para o futuro das tecnologias quânticas, pois a capacidade de controlar o movimento quântico coletivo em sistemas mecânicos pode levar a avanços na detecção quântica e geração de emaranhamento multipartite.

Todos os dispositivos foram fabricados no Centro de MicroNanoTecnologia (CMi) da EPFL.