Notícia

Novo hardware criado em Stanford mostra uma maneira de desenvolver tecnologias quânticas baseadas em minúsculos dispositivos mecânicos

Agnetta Cleland, Universidade Stanford

Fonte

Universidade Stanford

Data

quarta-feira, 27 abril 2022 11:25

Áreas

Bioeletrônica. Computação. Física Aplicada. Microeletromecânica. Nanotecnologia.

Pesquisadores da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, desenvolveram um dispositivo experimental chave para futuras tecnologias baseadas em física quântica que usa dispositivos mecânicos atuais e cotidianos.

Confiáveis, compactos, duráveis ​​e eficientes, os dispositivos acústicos aproveitam o movimento para realizar tarefas úteis. Um excelente exemplo de tal dispositivo é o oscilador mecânico. Quando deslocados por uma força – como pelo som, por exemplo – os componentes do dispositivo começam a se mover para frente e para trás em relação à sua posição original. Criar esse movimento periódico é uma maneira prática de acompanhar o tempo, filtrar sinais e detectar movimento em eletrônicos onipresentes, incluindo telefones, computadores e relógios.

Os pesquisadores procuraram trazer os benefícios dos sistemas mecânicos para as escalas extremamente pequenas do ‘misterioso’ reino quântico, onde os átomos interagem delicadamente e se comportam de maneiras contra-intuitivas. Para esse fim, pesquisadores de Stanford liderados pelo Dr. Amir Safavi-Naeini demonstraram novas capacidades acoplando minúsculos osciladores nanomecânicos a um tipo de circuito que pode armazenar e processar energia na forma de um qubit, ou ‘bit’ quântico de informação. Usando o qubit do dispositivo, os pesquisadores podem manipular o estado quântico dos osciladores mecânicos, gerando os tipos de efeitos da mecânica quântica que um dia poderão capacitar a computação avançada e os sistemas de detecção ultraprecisos.

“Com este dispositivo, mostramos um próximo passo importante na tentativa de construir computadores quânticos e outros dispositivos quânticos úteis baseados em sistemas mecânicos”, disse o Dr. Safavi-Naeini, professor do Departamento de Física Aplicada da Escola de Ciências e Humanidades de Stanford. O Dr. Safavi-Naeini é autor sênior de um novo estudo publicado recentemente na revista Nature descrevendo as descobertas. “Estamos essencialmente procurando construir sistemas de ‘mecânica quântica mecânica'”, disse o pesquisador.

Reunindo efeitos quânticos em chips de computador

Os primeiros autores do estudo, Alex Wollack e Agnetta Cleland, ambos candidatos ao doutorado na Universidade Stanford, lideraram o esforço para desenvolver esse novo hardware quântico baseado em mecânica. Usando as instalações do Stanford Nano Shared Facilities, os pesquisadores trabalharam em salas limpas, paramentados com os trajes especiais usados ​​nas fábricas de semicondutores, a fim de evitar que impurezas contaminassem os materiais sensíveis.

Com equipamentos especializados, Alex Wollack e Agnetta Cleland fabricaram componentes de hardware em resoluções de escala nanométrica em dois chips de computador de silício. Os pesquisadores então juntaram os dois chips para que os componentes do chip inferior ficassem voltados para os da metade superior, em estilo ‘sanduíche’.

No chip inferior, Alex Wollack e Agnetta Cleland criaram um circuito supercondutor de alumínio que forma o qubit do dispositivo. O envio de pulsos de micro-ondas para este circuito gera fótons (partículas de luz), que codificam um qubit de informação no dispositivo. Ao contrário dos dispositivos elétricos convencionais, que armazenam bits representando 0 ou 1, os qubits em dispositivos de mecânica quântica também podem representar combinações ponderadas de 0 e 1 simultaneamente. Isso ocorre por causa do fenômeno da mecânica quântica conhecido como superposição, onde um sistema quântico existe em vários estados quânticos ao mesmo tempo até que o sistema seja medido.

“A forma como a realidade funciona no nível da mecânica quântica é muito diferente da nossa experiência macroscópica do mundo”, disse o Dr. Safavi-Naeini.

O chip superior contém dois ressonadores nanomecânicos formados por estruturas cristalinas suspensas, semelhantes a pontes, com apenas algumas dezenas de nanômetros – ou bilionésimos de metro – de comprimento. Os cristais são feitos de niobato de lítio, um material piezoelétrico. Materiais com essa propriedade podem converter uma força elétrica em movimento, o que no caso deste dispositivo significa que o campo elétrico transmitido pelo fóton qubit é convertido em um quantum (ou uma única unidade) de energia vibracional chamada fônon.

“Assim como as ondas de luz, que são quantizadas em fótons, as ondas sonoras são quantizadas em ‘partículas’ chamadas fônons e, combinando a energia dessas diferentes formas em nosso dispositivo, criamos uma tecnologia quântica híbrida que aproveita as vantagens de ambos”, disse Agnetta Cleland.

A geração desses fônons permitiu que cada oscilador nanomecânico atuasse como um registrador, que é o menor elemento de retenção de dados possível em um computador, e com o qubit fornecendo os dados. Como o qubit, os osciladores também podem estar em um estado de superposição – eles podem ser excitados (representando 1) e não excitados (representando 0) ao mesmo tempo. O circuito supercondutor permitiu que os pesquisadores preparassem, lessem e modificassem os dados armazenados nos registros, conceitualmente semelhantes ao funcionamento dos computadores convencionais (não quânticos).

“O sonho é fazer um aparelho que funcione da mesma forma que chips de computador de silício, por exemplo, em seu telefone ou em um pen drive, onde registradores armazenam bits. E embora ainda não possamos armazenar bits quânticos em um pen drive, estamos mostrando o mesmo tipo de coisa com ressonadores mecânicos”, concluiu o Dr. Amir Safavi-Naeini.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade Stanford (em inglês).

Fonte: Adam Hadhazy, Universidade Stanford. Imagem: novo dispositivo, totalmente montado. O chip superior (mecânico) é fixado com a face para baixo no chip inferior (qubit) por um polímero adesivo. Fonte: Agnetta Cleland, Universidade Stanford.

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