Protección de sistemas cuánticos mecánicos

(Noticias de Nanowerk) Cuando uno piensa en sistemas mecánicos cuánticos, podría pensar en fotones individuales e iones y átomos bien aislados, o electrones que se propagan a través de un cristal. Más exóticos en el contexto de la mecánica cuántica son los sistemas cuánticos genuinamente mecánicos; es decir, objetos masivos en los que se cuantifica el movimiento mecánico, como la vibración.

Una serie de experimentos pioneros observaron características mecánicas cuánticas fundamentales en sistemas mecánicos, incluida la cuantificación de energía y el entrelazamiento.

Sin embargo, para utilizar dichos sistemas en estudios fundamentales y aplicaciones tecnológicas, la observación de las propiedades cuánticas es solo un primer paso. La siguiente tarea es dominar la manipulación de objetos cuánticos mecánicos para que sus estados cuánticos puedan controlarse, medirse y, en última instancia, usarse en estructuras similares a dispositivos. El grupo de Yiwen Chu en el Departamento de Física de ETH Zurich ahora ha hecho un gran progreso en esta dirección.

correo registrado física natural («Medición de paridad en el régimen fuertemente dispersivo de la acustodinámica cuántica de circuitos») informan sobre la extracción de información de un sistema cuántico mecánico sin destruir el valioso estado cuántico. Este avance abre el camino a aplicaciones como la corrección de errores cuánticos y más allá. Micrografía de luz del resonador acústico visto desde arriba (dos discos más grandes, cuyo interior es el transductor piezoeléctrico) y la antena conectada al qubit superconductor (estructura blanca). (Imagen: Adaptado de von Lüpke et al. Nat. Phys. DOI: 10.1038/s41567-022-01591-2)

Mecánica cuántica masiva

Los físicos de ETH utilizan una placa de zafiro de alta calidad de casi medio milímetro de espesor como sistema mecánico. Un delgado transductor piezoeléctrico se encuentra en su parte superior, que puede excitar ondas acústicas que se reflejan en la parte inferior y, por lo tanto, se propagan por un volumen definido con precisión dentro de la placa.

Estas excitaciones son el movimiento colectivo de un gran número de átomos, pero están cuantificadas (en unidades de energía conocidas como fonones) y pueden someterse a operaciones cuánticas, al menos en principio, de forma muy similar a como se comportan los estados cuánticos de los átomos. , pueden ser fotones y electrones.

Curiosamente, es posible conectar el resonador mecánico a otros sistemas cuánticos y, en particular, a qubits superconductores. Estos últimos son pequeños circuitos electrónicos en los que se cuantifican los estados de energía electromagnética, y actualmente son una de las principales plataformas para construir computadoras cuánticas escalables. Los campos electromagnéticos asociados al circuito superconductor permiten el acoplamiento del qubit con el transductor piezoeléctrico del resonador acústico y, por tanto, con sus estados cuánticos mecánicos. Foto del dispositivo híbrido flip-chip adherido con el chip resonador acústico encima del chip qubit superconductor. El chip inferior tiene 7 mm de largo. (Imagen: Adaptado de von Lüpke et al. Nat. Phys. DOI: 10.1038/s41567-022-01591-2)

En tales dispositivos híbridos de resonancia qubit, se puede combinar lo mejor de ambos mundos. En particular, las sofisticadas capacidades computacionales de los qubits superconductores pueden explotarse en sincronía con la solidez y la larga vida útil de los modos acústicos que pueden servir como memorias cuánticas o transductores. Sin embargo, para tales aplicaciones no es suficiente acoplar los estados de qubit y resonador.

Por ejemplo, una simple medición del estado cuántico en el resonador lo destruye, haciendo imposible la repetición de mediciones. En cambio, lo que se necesita es la capacidad de extraer información sobre el estado cuántico mecánico de una manera más suave y bien controlada.

La forma no destructiva

Los estudiantes de doctorado de Chu Uwe von Lüpke, Yu Yang y Marius Bild, en colaboración con el becario de Branco Weiss Matteo Fadel y con el apoyo del estudiante de proyecto semestral Laurent Michaud, ahora han logrado demostrar un protocolo para la llamada no demolición cuántica. mediciones.

En sus experimentos, no hay intercambio directo de energía entre el qubit superconductor y el resonador acústico durante la medición. En cambio, las propiedades del qubit dependen de la cantidad de fonones en el resonador acústico sin tener que «tocar» directamente el estado cuántico mecánico; piense en un theremin, el instrumento musical donde el tono depende de la posición de la mano del músico. sin contacto físico con el instrumento.

Crear un sistema híbrido en el que el estado del resonador se refleje en el espectro del qubit es un gran desafío. Existen requisitos estrictos sobre cuánto tiempo se pueden mantener los estados cuánticos tanto en el qubit como en el resonador antes de que desaparezcan debido a imperfecciones e interferencias externas.

Entonces, la tarea del equipo era extender la vida útil tanto del qubit como del estado cuántico del resonador. Y lo lograron al realizar una serie de mejoras, incluida una selección cuidadosa del tipo de qubit superconductor utilizado y encapsular el dispositivo híbrido en una cavidad de aluminio superconductor para garantizar un blindaje electromagnético ajustado.

Información cuántica sobre la base de la necesidad de saber

Después de que el equipo llevó con éxito su sistema al régimen de operación deseado (conocido como «régimen dispersivo fuerte»), el equipo pudo extraer sin problemas la distribución del número de fonones en su resonador acústico después de que se excitara con diferentes amplitudes.

También demostraron una forma de determinar con una sola medida si el número de fonones en el resonador es par o impar, lo que se conoce como medida de paridad, sin aprender nada sobre la distribución de los fonones. La obtención de información tan específica, pero no otra, es crucial para una serie de aplicaciones tecnológicas cuánticas.

Por ejemplo, un cambio en la paridad (una transición de un número impar a un número par o viceversa) puede indicar que un error ha afectado el estado cuántico y que se necesita una corrección. Por supuesto, es esencial aquí que el estado a corregir no sea destruido.

Sin embargo, antes de que se puedan implementar dichos esquemas de corrección de errores, se requiere un mayor refinamiento del sistema híbrido, en particular para mejorar la precisión de las operaciones. Pero la corrección de errores cuánticos está lejos de ser la única aplicación en el horizonte.

La literatura científica abunda en interesantes propuestas teóricas para protocolos de información cuántica, así como estudios fundamentales que se benefician del hecho de que los estados acústicos cuánticos residen en objetos masivos. Estos ofrecen, por ejemplo, oportunidades únicas para explorar el alcance de la mecánica cuántica en el límite de grandes sistemas y para hacer que los sistemas cuánticos mecánicos se puedan utilizar como sensores.