Circuïts integrats i la física quàntica.

Desenvolupat un dispositiu experimental clau per a futures tecnologies basades en la física quàntica.

Els dispositius acústics són  fiables quan són compactes, duradors i eficients els quals, utilitzen el moviment mecànic per realitzar tasques útils. Un exemple d'aquest dispositiu és l'oscil·lador mecànic. Quan són desplaçats per una força, com ara el so, els components del dispositiu comencen a moure's cap endavant i cap enrere des de la seva posició inicial. Crear aquest moviment periòdic és una manera útil de mantenir el temps, filtrar senyals i detectar el moviment en l'electrònica omnipresent, inclosos els telèfons, els ordinadors, etc.

Fotografia amb vista angulada del dispositiu completament empaquetat. El xip superior (mecànic) està fixat cap avall al xip inferior (qubit) mitjançant un polímer adhesiu. Fontt: Agnetta Cleland

Aprofitar els beneficis dels sistemes mecànics a les escales extremadament petites, significa passar al misteriós regne quàntic, on els àtoms interactuen delicadament i es comporten de manera contra-intuïtiva. Amb aquesta idea, s'han demostrat noves capacitats acoblant petits oscil·ladors nanomecànics amb un tipus de circuit que pot emmagatzemar i processar energia en forma de qubit o "bit" quàntic d'informació. Utilitzant el qubit del dispositiu, és possible manipular l'estat quàntic dels oscil·ladors mecànics, generant els tipus d'efectes mecànics quàntics.

Amb aquest dispositiu, s'ha fet un pas important per intentar construir ordinadors quàntics i altres dispositius quàntics útils.

Gracies a un equipament extremadament especialitzats, ha estat possible fabricar components de maquinari a resolucions a escala nanomètrica en dos xips d'ordinador de silici per adherir els dos xips.

Al xip inferior, es va crear un circuit superconductor d'alumini que forma el qubit del dispositiu. L'enviament de polsos de microones a aquest circuit genera fotons (partícules de llum), que codifiquen un qubit d'informació al dispositiu. A diferència dels dispositius elèctrics convencionals, que emmagatzemen bits com a voltatges que representen un 0 o un 1, els qubits dels dispositius de mecànica quàntica també poden representar combinacions ponderades de 0 i 1 simultàniament. Això es deu al fenomen de la mecànica quàntica conegut com a superposició, on un sistema quàntic existeix en múltiples estats quàntics alhora fins que es mesura el sistema.

La manera com funciona la realitat a nivell de mecànica quàntica és molt diferent en com s'entén l'univers a escala macro.

El xip superior conté dos ressonadors nanomecànics formats per estructures de cristall suspesos, semblants a un pont, d'unes poques desenes de nanòmetres de llarg. Els cristalls estan fets de niobat de liti, un material piezoelèctric. Els materials amb aquesta propietat poden convertir una força elèctrica en moviment, cosa que en el cas d'aquest dispositiu significa que el camp elèctric transportat pel fotó qubit es converteix en un quàntic (o una única unitat) d'energia vibratòria anomenada fonó.

Il·lustració conceptual d'un estat de Bell, en què una unitat d'energia vibratòria es comparteix entre dos oscil·ladors. El sistema existeix en dos estats possibles simultàniament: el primer estat quàntic possible (entre parèntesis, a l'esquerra del signe més) mostra l'oscil·lador de la dreta vibrant i l'oscil·lador de l'esquerra parat. El segon estat possible mostra l'energia vibratòria que ocupa l'oscil·lador de la mà esquerra, amb el de la dreta quiet. El dispositiu existeix en una superposició dels dos estats possibles, és a dir, que cada oscil·lador es mou i no es mou al mateix temps, fins que es mesura. Una mesura del sistema donaria només un dels dos resultats representats (entre parèntesis): si s'observés que l'oscil·lador de la mà esquerra vibra, la mà dreta estaria necessàriament quieta, i viceversa. Això il·lustra l'entrellat entre els dos oscil·ladors: en realitzar una mesura per aprendre informació sobre el moviment d'un sol oscil·lador, un observador també determinarà l'estat de l'altre oscil·lador, sense necessitat de mesurar-lo per separat. Font: Agnetta Cleland

Igual que les ones de llum, que es quantifiquen en fotons, les ones sonores es quantifiquen en "partícules "anomenades fonons" i combinant l'energia d'aquestes diferents formes es crea una tecnologia quàntica híbrida que aprofita els avantatges dels dos.

La generació d'aquests fonons permet que cada oscil·lador nanomecànic actiu com un registre, que és l'element de memòria de dades més petit possible en un ordinador, i amb el qubit, es subministra les dades. Igual que el qubit, els oscil·ladors, en conseqüència, també poden estar en un estat de superposició: poden estar tant excitats (representa 1) com no excitats (representa 0) alhora. El circuit superconductor permet preparar, llegir i modificar les dades emmagatzemades als registres, conceptualment similar a com funcionen els ordinadors convencionals.

La idea, és fer un dispositiu que funcioni de la mateixa manera que els xips d'ordinador de silici, per exemple, aper l telèfon o en per una unitat de memòria, on els registres emmagatzemen bits. Tot i que encara no es pot emmagatzemar bits quàntics, s'està treballant per assolir-ho amb ressonadors mecànics.

Més enllà de la superposició, la connexió entre els fotons i els ressonadors del dispositiu aprofita un altre  fenomen quàntic anomenat entrellaçament. El que fa que els estats entrellaçats siguin tan contraris a la intuïció, i també notòriament difícils de crear al laboratori, és que la informació sobre l'estat del sistema es distribueix entre diversos components. En aquests sistemes, és possible saber tot sobre dues partícules juntes, però res sobre una de les partícules observades individualment. Per exemple, donades  dues monedes que es llancen en dos llocs diferents i que s'observen cauen com a cara o creu aleatòriament amb la mateixa probabilitat, però quan es comparen les mesures als diferents llocs, sempre estan correlacionades; és a dir, si una moneda cau com a creu, l'altra té la garantia de caure  com a cara.

Per demostrar aquests efectes quàntics, es va generar un únic qubit, emmagatzemat com a fotó al circuit del xip inferior. Aleshores es va permetre que el circuit intercanviés energia amb un dels oscil·ladors mecànics del xip superior abans de transferir la informació restant al segon dispositiu quantic. Mitjançant l'intercanvi d'energia, primer amb un oscil·lador mecànic i després amb el segon oscil·lador, es  va utilitzar el circuit com a eina per unir quànticament els dos ressonadors entre si.

Llavors el que fa estrany la mecànica quàntica ve mostrat no només amb el so que ve en unitats discretes, sinó que una sola partícula de so es pot compartir entre els dos objectes microscòpics entrellaçats, cadascun amb bilions d'àtoms.

Per realitzar càlculs pràctics, el període d'entrellaçament sostingut, o coherència, hauria de ser significativament més llarg, de l'ordre de segons, en comptes de les fraccions de segons aconseguides fins ara. La superposició i l'entrellaçat, són condicions molt delicades, vulnerables  a pertorbacions molt febles en forma de calor o d'altres energies.

S'ha millorat el rendiment del sistema durant els últims quatre anys gairebé 10 vegades cada any de manera que, es continuarà fent passos concrets per dissenyar dispositius de mecànica quàntica, com ara ordinadors i sensors, i aportar els seus beneficis.

Font: E. Alex Wollack et al, Quantum state preparation and tomography of entangled mechanical resonators, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04500-y Informació de la revista: Nature