Ser amable con los sistemas cuánticos mecánicos

Imagen de microscopio óptico del resonador acústico visto desde arriba (dos discos más grandes, el interior de los cuales es el transductor piezoeléctrico) y de la antena conectada al qubit superconductor (estructura blanca). Crédito: Adaptado de von Lüpke et al, Física de la naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41567-​022-01591-2.

Al pensar en los sistemas mecánicos cuánticos, los fotones individuales y los iones y átomos bien aislados pueden venir a la mente, o los 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. En una serie de experimentos seminales, se han observado características mecánicas cuánticas por excelencia en sistemas mecánicos, incluida la cuantificación de energía y el entrelazamiento.

Sin embargo, con miras a utilizar tales sistemas en estudios fundamentales y aplicaciones tecnológicas, la observación de las propiedades cuánticas es solo un primer paso. El siguiente es dominar el manejo de objetos cuánticos mecánicos, de modo que sus estados cuánticos puedan controlarse, medirse y eventualmente explotarse 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 esa dirección. escribiendo en Física de la naturaleza, reportan la extracción de información de un sistema cuántico mecánico sin destruir el preciado estado cuántico. Este avance allana el camino hacia aplicaciones como la corrección de errores cuánticos y más allá.

Mecánica cuántica masiva

Los físicos de ETH emplean como sistema mecánico una losa de zafiro de alta calidad, de poco menos de medio milímetro de espesor. En su parte superior se encuentra un transductor piezoeléctrico delgado que puede excitar ondas acústicas, que se reflejan en la parte inferior y, por lo tanto, se extienden a través de un volumen bien definido dentro de la losa. Estas excitaciones son el movimiento colectivo de un gran número de átomos, pero están cuantificadas (en unidades de energía conocidas como fonones) y pueden estar sujetas, al menos en principio, a operaciones cuánticas de la misma manera que los estados cuánticos de los átomos. , pueden ser fotones y electrones.

Curiosamente, es posible interconectar el resonador mecánico con otros sistemas cuánticos y, en particular, con 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 con el circuito superconductor permiten el acoplamiento del qubit al transductor piezoeléctrico del resonador acústico y, por lo tanto, a sus estados cuánticos mecánicos.

En tales dispositivos híbridos qubit-resonador, se puede combinar lo mejor de dos mundos. Específicamente, las capacidades computacionales altamente desarrolladas de los qubits superconductores se pueden usar en sincronía con la robustez y la larga vida útil de los modos acústicos, que pueden servir como memorias cuánticas o transductores. Para tales aplicaciones, sin embargo, no será suficiente simplemente acoplar los estados de qubit y resonador. Por ejemplo, una medición sencilla 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.

El dispositivo híbrido enlazado flip-chip, con el chip resonador acústico encima del chip superconductor-qubit. El chip inferior tiene 7 mm de longitud. Crédito: Adaptado de von Lüpke et al, Física de la naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01591-2.

El camino no destructivo

Demostrar un protocolo para las llamadas mediciones cuánticas sin demolición es lo que han logrado los estudiantes de doctorado de Chu, Uwe von Lüpke, Yu Yang y Marius Bild, en colaboración con el compañero de Branco Weiss, Matteo Fadel, y con el apoyo del estudiante del proyecto semestral Laurent Michaud. 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 necesidad de «tocar» directamente el estado cuántico mecánico; piense en un theremin, el instrumento musical en el que el tono depende de la posición. de la mano del músico sin hacer 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. Hay demandas estrictas sobre cuánto tiempo se pueden mantener los estados cuánticos tanto en el qubit como en el resonador, antes de que desaparezcan debido a las imperfecciones y perturbaciones del exterior. Entonces, la tarea para el equipo era impulsar la vida útil de los estados cuánticos del qubit y del resonador. Y lo lograron, al realizar una serie de mejoras, incluida una elección 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 haber empujado con éxito su sistema al régimen operativo deseado (conocido como «régimen dispersivo fuerte»), el equipo pudo extraer suavemente la distribución del número de fonones en su resonador acústico después de excitarlo con diferentes amplitudes. Además, demostraron una forma de determinar en 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 más sobre la distribución de fonones. La obtención de información tan específica, pero no otra, es crucial en una serie de aplicaciones de tecnología cuántica. 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 es necesario corregirlo. Aquí es esencial, por supuesto, que el estado a corregir no sea destruido.

Sin embargo, antes de que sea posible una implementación de tales esquemas de corrección de errores, es necesario perfeccionar más el sistema híbrido, en particular para mejorar la fidelidad de las operaciones. Pero la corrección de errores cuánticos no es, con mucho, el único uso en el horizonte. Hay una gran cantidad de interesantes propuestas teóricas en la literatura científica para protocolos de información cuántica, así como para estudios fundamentales que se benefician del hecho de que los estados cuánticos acústicos residen en objetos masivos. Estos brindan, por ejemplo, oportunidades únicas para explorar el alcance de la mecánica cuántica en el límite de grandes sistemas y para aprovechar los sistemas cuánticos mecánicos como sensor.