Cientistas acabaram de medir um sistema quântico mecânico sem destruí-lo: WebCuriosos

Há um aspecto fundamental da computação quântica que você talvez não tenha pensado antes. Chamadas de 'medições quânticas de não demolição', elas referem-se à observação de certos estados quânticos sem destruí-los no processo.

Se quisermos montar um computador quântico funcional, obviamente seria útil não deixá-lo quebrar a cada segundo enquanto os cálculos são feitos. Agora, os cientistas descreveram uma nova técnica para registrar medições quânticas de não demolição que se mostra muito promissora.

Neste caso, a investigação envolveu sistemas quânticos mecânicos – objetos que são relativamente grandes em termos de computação quântica, mas extremamente pequenos para nós. Eles usam movimento mecânico (como vibração) para lidar com a magia quântica necessária e também podem ser combinados com outros sistemas quânticos.

“Nossos resultados abrem a porta para a realização de algoritmos quânticos ainda mais complexos usando sistemas mecânicos, como correção quântica de erros e operações multimodo”, escrevem os pesquisadores em seu relatório. artigo publicado.

Para este estudo, a equipe montou uma tira fina de safira de alta qualidade, com pouco menos de meio milímetro de espessura. Um magro transdutor piezoelétrico foi usado para excitar ondas acústicas, movendo unidades de energia como fônons que podem, em teoria, ser submetidas a processos de computação quântica. Tecnicamente, este dispositivo é conhecido como ressonador acústico.

Essa foi a primeira parte da configuração. Para fazer a medição, o ressonador acústico foi acoplado a um qubit supercondutor – aqueles blocos básicos de construção de computadores quânticos que podem conter simultaneamente valores 1 e 0, e sobre os quais empresas como Google e IBM já construíram computadores quânticos rudimentares.

O dispositivo híbrido da equipe, com o chip ressonador acústico em cima do chip supercondutor qubit. (von Lüpke et al., Nat Phys, 2022)

Ao tornar o status do qubit supercondutor dependente do número de fônons no ressonador acústico, os cientistas puderam ler esse número de fônons sem realmente interagir com eles ou transferir qualquer energia.

Eles descrevem isso como algo semelhante a tocar um teremim, o estranho instrumento musical que não precisa ser tocado para produzir som.

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Reunir o equivalente da computação quântica não foi uma tarefa fácil: os estados quânticos geralmente têm vida muito curta e parte da inovação nesta técnica foi a forma como esses estados foram prolongados por mais tempo. A equipe fez isso em parte por meio da escolha de materiais e em parte por meio de uma cavidade supercondutora de alumínio que fornecia blindagem eletromagnética.

Em experimentos posteriores, eles conseguiram extrair o que é conhecido como “medida de paridade” do sistema quântico mecânico.

A medida de paridade é crucial para uma variedade de tecnologias quânticas, especialmente quando se trata de corrigir erros em sistemas – e nenhum computador pode funcionar adequadamente se cometer erros regularmente.

“Ao fazer a interface de ressonadores mecânicos com circuitos supercondutores, a acustodinâmica quântica de circuitos pode disponibilizar uma variedade de ferramentas importantes para manipular e medir estados quânticos de movimento,” escrevem os pesquisadores.

Tudo isto é de altíssimo nível em termos de física quântica, mas o resultado final é que se trata de um importante passo em frente numa das tecnologias que poderão eventualmente fornecer uma base para futuros computadores quânticos, particularmente em termos de combinação de diferentes tipos de sistemas. junto.

Um dispositivo ressonador qubit híbrido como o descrito neste estudo oferece potencialmente o melhor de dois campos diferentes de pesquisa: as capacidades computacionais de qubits supercondutores e a estabilidade de sistemas mecânicos. Agora, os cientistas demonstraram que as informações podem ser extraídas de tal dispositivo de forma não destrutiva.

Muito mais trabalho precisa ser feito – uma vez que a tarefa de medir estados tenha sido refinada e concluída, esses estados precisam então ser explorados e manipulados para serem de uso real – mas o enorme potencial dos sistemas de computação quântica pode ter acabado de dar mais um passo mais perto.

“Aqui demonstramos as medições diretas da distribuição do número de fônons e da paridade de estados mecânicos não clássicos,” escrevem os pesquisadores.

“Essas medições são alguns dos blocos básicos para a construção de memórias e processadores quânticos acústicos.”

A pesquisa foi publicada em Física da Natureza.

Nota do editor (18 de maio de 2022): Uma versão anterior deste artigo mencionou fótons no lugar de fônons. O erro já foi corrigido.