Fotografía en ángulo del dispositivo completamente embalado. El chip superior (mecánico) se fija boca abajo al chip inferior (qubit) mediante un polímero adhesivo. Crédito:Agnetta Cleland
Investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado un dispositivo experimental clave para futuras tecnologías basadas en la física cuántica que toma prestada una página de los dispositivos mecánicos cotidianos actuales.
Los dispositivos acústicos confiables, compactos, duraderos y eficientes aprovechan el movimiento mecánico para realizar tareas útiles. Un buen ejemplo de un dispositivo de este tipo es el oscilador mecánico. Cuando son desplazados por una fuerza, como el sonido, por ejemplo, los componentes del dispositivo comienzan a moverse de un lado a otro sobre su posición original. Crear este movimiento periódico es una forma práctica de mantener el tiempo, filtrar señales y detectar el movimiento en dispositivos electrónicos omnipresentes, incluidos teléfonos, computadoras y relojes.
Los investigadores han tratado de llevar los beneficios de los sistemas mecánicos a las escalas extremadamente pequeñas del misterioso reino cuántico, donde los átomos interactúan delicadamente y se comportan de manera contraria a la intuición. Con este fin, los investigadores de Stanford dirigidos por Amir Safavi-Naeini han demostrado nuevas capacidades mediante el acoplamiento de pequeños osciladores nanomecánicos con un tipo de circuito que puede almacenar y procesar energía en forma de qubit o "bit" cuántico de información. Usando el qubit del dispositivo, los investigadores pueden manipular el estado cuántico de los osciladores mecánicos, generando los tipos de efectos mecánicos cuánticos que algún día podrían potenciar la computación avanzada y los sistemas de detección ultraprecisos.
"Con este dispositivo, hemos mostrado un próximo paso importante en el intento de construir computadoras cuánticas y otros dispositivos cuánticos útiles basados en sistemas mecánicos", dijo Safavi-Naeini, profesora asociada en el Departamento de Física Aplicada de la Escuela de Humanidades y Ciencias de la Universidad de Stanford. Ciencias. Safavi-Naeini es autora principal de un nuevo estudio publicado el 20 de abril en la revista Nature describiendo los hallazgos. "En esencia, buscamos construir sistemas de 'mecánica cuántica'", dijo.
Recopilación de efectos cuánticos en chips de computadora
Los primeros autores conjuntos del estudio, Alex Wollack y Agnetta Cleland, ambos Ph.D. candidatos en Stanford, encabezó el esfuerzo para desarrollar este nuevo hardware cuántico basado en la mecánica. Usando las instalaciones compartidas de Stanford Nano en el campus, los investigadores trabajaron en salas limpias mientras vestían los "trajes de conejo" blancos que cubrían el cuerpo que se usaban en las plantas de fabricación de semiconductores para evitar que las impurezas contaminaran los materiales sensibles en juego.
Con equipo especializado, Wollack y Cleland fabricaron componentes de hardware con resoluciones de escala nanométrica en dos chips de computadora de silicio. Luego, los investigadores unieron los dos chips de modo que los componentes del chip inferior quedaran frente a los de la mitad superior, al estilo sándwich.
En el chip inferior, Wollack y Cleland crearon un circuito superconductor de aluminio que forma el qubit del dispositivo. El envío de pulsos de microondas a este circuito genera fotones (partículas de luz), que codifican un qubit de información en el dispositivo. A diferencia de los dispositivos eléctricos convencionales, que almacenan bits como voltajes que representan un 0 o un 1, los qubits en los dispositivos mecánicos cuánticos también pueden representar combinaciones ponderadas de 0 y 1 simultáneamente. Esto se debe al fenómeno mecánico cuántico conocido como superposición, donde un sistema cuántico existe en múltiples estados cuánticos a la vez hasta que se mide el sistema.
"La forma en que funciona la realidad a nivel mecánico cuántico es muy diferente de nuestra experiencia macroscópica del mundo", dijo Safavi-Naeini.
El chip superior contiene dos resonadores nanomecánicos formados por estructuras cristalinas suspendidas en forma de puente de solo unas pocas decenas de nanómetros, o mil millonésimas de metro, de largo. Los cristales están hechos de niobato de litio, un material piezoeléctrico. Los materiales con esta propiedad pueden convertir una fuerza eléctrica en movimiento, lo que en el caso de este dispositivo significa que el campo eléctrico transmitido por el fotón qubit se convierte en un cuanto (o una sola unidad) de energía vibratoria llamada fonón.
Ilustración conceptual de un estado de campana, en el que dos osciladores comparten una unidad de energía vibratoria. El sistema existe en dos estados posibles simultáneamente:el primer estado cuántico posible (entre paréntesis, a la izquierda del signo más) muestra que el oscilador de la derecha vibra y el oscilador de la izquierda está quieto. El segundo estado posible muestra la energía vibratoria que ocupa el oscilador de la izquierda, con el de la derecha inmóvil. El dispositivo existe en una superposición de ambos estados posibles, lo que significa que cada oscilador se mueve y no se mueve al mismo tiempo, hasta que se mide. Una medición del sistema arrojaría solo uno de los dos resultados representados (entre paréntesis):si se observa que el oscilador de la mano izquierda está vibrando, el de la mano derecha necesariamente estaría quieto, y viceversa. Esto ilustra el enredo entre los dos osciladores:al realizar una medición para obtener información sobre el movimiento de un solo oscilador, un observador también determinaría el estado del otro oscilador, sin necesidad de medirlo por separado. Crédito:Agnetta Cleland
"Al igual que las ondas de luz, que se cuantifican en fotones, las ondas de sonido se cuantifican en 'partículas' llamadas fonones", dijo Cleland, "y al combinar energía de estas diferentes formas en nuestro dispositivo, creamos una tecnología cuántica híbrida que aprovecha las ventajas de ambos."
La generación de estos fonones permitió que cada oscilador nanomecánico actuara como un registro, que es el elemento de almacenamiento de datos más pequeño posible en una computadora, y con el qubit suministrando los datos. Al igual que el qubit, los osciladores también pueden estar en un estado de superposición:pueden estar excitados (representando 1) y no excitados (representando 0) al mismo tiempo. El circuito superconductor permitió a los investigadores preparar, leer y modificar los datos almacenados en los registros, conceptualmente similar a cómo funcionan las computadoras convencionales (no cuánticas).
"El sueño es hacer un dispositivo que funcione de la misma manera que los chips de computadora de silicio, por ejemplo, en su teléfono o en una memoria USB, donde los registros almacenan bits", dijo Safavi-Naeini. "Y aunque todavía no podemos almacenar bits cuánticos en una memoria USB, estamos mostrando el mismo tipo de cosas con los resonadores mecánicos".
Aprovechando el enredo
Más allá de la superposición, la conexión entre los fotones y los resonadores en el dispositivo aprovechó aún más otro fenómeno mecánico cuántico importante llamado entrelazamiento. Lo que hace que los estados entrelazados sean tan contradictorios y notoriamente difíciles de crear en el laboratorio es que la información sobre el estado del sistema se distribuye entre varios componentes. En estos sistemas, es posible saber todo sobre dos partículas juntas, pero nada sobre una de las partículas observadas individualmente. Imagine dos monedas que se lanzan al aire en dos lugares diferentes y que se observa que caen como cara o cruz al azar con la misma probabilidad, pero cuando se comparan las mediciones en los diferentes lugares, siempre están correlacionadas; es decir, si una moneda cae cruz, se garantiza que la otra moneda caiga cara.
La manipulación de múltiples qubits, todos en superposición y enredados, es el doble golpe que impulsa la computación y la detección en las codiciadas tecnologías cuánticas. "Sin superposición y mucho entrelazamiento, no se puede construir una computadora cuántica", dijo Safavi-Naeini.
Para demostrar estos efectos cuánticos en el experimento, los investigadores de Stanford generaron un solo qubit, almacenado como un fotón en el circuito del chip inferior. Luego se permitió que el circuito intercambiara energía con uno de los osciladores mecánicos en el chip superior antes de transferir la información restante al segundo dispositivo mecánico. Al intercambiar energía de esta manera, primero con un oscilador mecánico y luego con el segundo oscilador, los investigadores usaron el circuito como una herramienta para entrelazar mecánicamente cuánticamente los dos resonadores mecánicos entre sí.
"La rareza de la mecánica cuántica se muestra aquí", dijo Wollack. "El sonido no solo viene en unidades discretas, sino que una sola partícula de sonido puede compartirse entre los dos objetos macroscópicos entrelazados, cada uno con billones de átomos moviéndose, o sin moverse, en concierto".
Para eventualmente realizar cálculos prácticos, el período de entrelazamiento sostenido, o coherencia, tendría que ser significativamente más largo, del orden de segundos en lugar de las fracciones de segundos logradas hasta ahora. La superposición y el entrelazamiento son condiciones sumamente delicadas, vulnerables incluso a las más mínimas perturbaciones en forma de calor u otra energía y, en consecuencia, dotan a los dispositivos de detección cuántica propuestos de una sensibilidad exquisita. Pero Safavi-Naeini y sus coautores creen que se pueden lograr fácilmente tiempos de coherencia más prolongados perfeccionando los procesos de fabricación y optimizando los materiales involucrados.
"Hemos mejorado el rendimiento de nuestro sistema durante los últimos cuatro años casi 10 veces cada año", dijo Safavi-Naeini. "En el futuro, continuaremos dando pasos concretos hacia el diseño de dispositivos mecánicos cuánticos, como computadoras y sensores, y llevaremos los beneficios de los sistemas mecánicos al dominio cuántico". Físicos cuentan partículas de sonido con micrófono cuántico
