Muitos computadores quânticos existentes são baseados em sistemas eletrônicos supercondutores nos quais elétrons fluem sem resistência a temperaturas extremamente baixas. Nesses sistemas, a natureza mecânica quântica dos elétrons fluindo através de ressonadores cuidadosamente projetados cria qubits supercondutores. Esses qubits são excelentes para executar rapidamente as operações lógicas necessárias à computação. No entanto, armazenar informações — neste caso, estados quânticos, descritores matemáticos de sistemas quânticos específicos — não é seu ponto forte. Engenheiros quânticos têm buscado uma maneira de aumentar o tempo de armazenamento de estados quânticos construindo as chamadas "memórias quânticas" para qubits supercondutores.

Agora, uma equipe de cientistas do Caltech usou uma abordagem híbrida para memórias quânticas, traduzindo efetivamente informações elétricas em som, de modo que estados quânticos de qubits supercondutores possam sobreviver no armazenamento por um período até 30 vezes maior do que em outras técnicas.

O novo trabalho, liderado pelos estudantes de pós-graduação do Caltech Alkim Bozkurt e Omid Golami, supervisionado por Mohammad Mirhosseini , professor assistente de engenharia elétrica e física aplicada, aparece em um artigo publicado no periódico Nature Physics .

Anteriormente, o grupo de Mirhosseini demonstrou que o som, especificamente fônons, que são partículas individuais de vibração (da mesma forma que os fótons são partículas individuais de luz), poderia fornecer um método conveniente para armazenar informações quânticas. Os dispositivos testados em experimentos clássicos pareciam ideais para pareamento com qubits supercondutores, pois funcionavam nas mesmas frequências extremamente altas de gigahertz (humanos ouvem em frequências de hertz e quilohertz, que são pelo menos um milhão de vezes mais lentas). Eles também tiveram um bom desempenho nas baixas temperaturas necessárias para preservar estados quânticos com qubits supercondutores e tinham longa vida útil.

Agora, Mirhosseini e seus colegas fabricaram um qubit supercondutor em um chip e o conectaram a um minúsculo dispositivo que os cientistas chamam de oscilador mecânico. Essencialmente um diapasão em miniatura, o oscilador consiste em placas flexíveis que são vibradas por ondas sonoras em frequências de gigahertz. Quando uma carga elétrica é colocada nessas placas, elas podem interagir com sinais elétricos que transportam informações quânticas. Isso permite que as informações sejam canalizadas para o dispositivo para armazenamento como uma "memória" e sejam canalizadas para fora, ou "lembradas", posteriormente.

Os pesquisadores mediram cuidadosamente quanto tempo levou para o oscilador perder seu valioso conteúdo quântico assim que as informações entraram no dispositivo. "Acontece que esses osciladores têm uma vida útil cerca de 30 vezes maior do que os melhores qubits supercondutores disponíveis no mercado", diz Mirhosseini.

Este método de construção de uma memória quântica oferece diversas vantagens em relação às estratégias anteriores. As ondas acústicas viajam muito mais lentamente do que as ondas eletromagnéticas, permitindo dispositivos muito mais compactos. Além disso, as vibrações mecânicas, ao contrário das ondas eletromagnéticas, não se propagam no espaço livre, o que significa que a energia não vaza do sistema. Isso permite tempos de armazenamento mais longos e atenua a troca indesejada de energia entre dispositivos próximos. Essas vantagens apontam para a possibilidade de que muitos desses diapasões possam ser incluídos em um único chip, proporcionando uma maneira potencialmente escalável de criar memórias quânticas.

Mirhosseini afirma que este trabalho demonstrou a quantidade mínima de interação entre ondas eletromagnéticas e acústicas necessária para investigar o valor deste sistema híbrido para uso como elemento de memória. "Para que esta plataforma seja realmente útil para a computação quântica, é preciso ser capaz de inserir dados quânticos no sistema e extraí-los muito mais rápido. E isso significa que precisamos encontrar maneiras de aumentar a taxa de interação em um fator de três a dez vezes além da capacidade do nosso sistema atual", afirma Mirhosseini. Felizmente, seu grupo tem ideias sobre como isso pode ser feito.

Os outros autores do artigo "Uma memória quântica mecânica para fótons de micro-ondas" são Yue Yu, ex-aluno visitante de graduação no laboratório de Mirhosseini; e Hao Tian, pesquisador associado de pós-doutorado em engenharia elétrica do Instituto de Informação e Matéria Quântica do Caltech. O trabalho foi financiado pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e pela Fundação Nacional de Ciências. Bozkurt recebeu apoio de uma bolsa de pós-graduação Eddleman.