Os cientistas alcançaram com sucesso um comportamento coletivo quântico de osciladores mecânicos macroscópicos, abrindo novas possibilidades na tecnologia quântica.
As tecnologias quânticas estão transformando radicalmente a nossa compreensão do universo. Uma tecnologia emergente são os osciladores mecânicos macroscópicos, dispositivos vitais em relógios de quartzo, telefones celulares e lasers usados em telecomunicações. No domínio quântico, os osciladores macroscópicos poderiam permitir sensores e componentes ultrassensíveis para a computação quântica, abrindo novas possibilidades de inovação em vários setores.
O controle de osciladores mecânicos em nível quântico é essencial para o desenvolvimento de tecnologias futuras em computação quântica e detecção ultraprecisa. Mas controlá-los colectivamente é um desafio, pois requer unidades quase perfeitas, ou seja, idênticas.
A maioria das pesquisas em optomecânica quântica centrou-se em osciladores únicos, demonstrando fenômenos quânticos como resfriamento do estado fundamental e compressão quântica. Mas este não tem sido o caso do comportamento quântico coletivo, onde muitos osciladores atuam como um só. Embora essas dinâmicas coletivas sejam fundamentais para a criação de sistemas quânticos mais poderosos, elas exigem um controle excepcionalmente preciso sobre vários osciladores com propriedades quase idênticas.
Cientistas liderados por Tobias Kippenberg da EPFL alcançaram agora o objetivo há muito almejado: prepararam com sucesso seis osciladores mecânicos em um estado coletivo, observaram seu comportamento quântico e mediram fenômenos que só surgem quando os osciladores agem como um grupo. A pesquisa, publicada em Ciênciamarca um avanço significativo para as tecnologias quânticas, abrindo a porta para sistemas quânticos em grande escala.
“Isso é possibilitado pela desordem extremamente baixa entre as frequências mecânicas em uma plataforma supercondutora, atingindo níveis tão baixos quanto 0,1%”, diz Mahdi Chegnizadeh, o primeiro autor do estudo. “Essa precisão permitiu que os osciladores entrassem em um estado coletivo, onde se comportassem como um sistema unificado em vez de componentes independentes”.
Para permitir a observação dos efeitos quânticos, os cientistas usaram o resfriamento de banda lateral, uma técnica que reduz a energia dos osciladores ao seu estado fundamental quântico – a energia mais baixa possível permitida pela mecânica quântica.
O resfriamento da banda lateral funciona direcionando um laser para um oscilador, com a luz do laser sintonizada ligeiramente abaixo da frequência natural do oscilador. A energia da luz interage com o sistema vibratório de uma forma que subtrai energia dele. Este processo é crucial para observar efeitos quânticos delicados, pois reduz as vibrações térmicas e aproxima o sistema da quietude.
Ao aumentar o acoplamento entre a cavidade de micro-ondas e os osciladores, o sistema transita da dinâmica individual para a dinâmica coletiva. “O mais interessante é que, ao preparar o modo coletivo em seu estado fundamental quântico, observamos assimetria de banda lateral quântica, que é a marca registrada do movimento coletivo quântico. Normalmente, o movimento quântico está confinado a um único objeto, mas aqui ele abrangeu todo o sistema de osciladores ”, diz Marco Scigliuzzo, coautor do estudo.
Os pesquisadores também observaram taxas de resfriamento aumentadas e o surgimento de modos mecânicos “escuros”, ou seja, modos que não interagiam com a cavidade do sistema e retinham maior energia.
As descobertas fornecem confirmação experimental de teorias sobre o comportamento quântico coletivo em sistemas mecânicos e abrem novas possibilidades para a exploração de estados quânticos. Eles também têm implicações importantes para o futuro das tecnologias quânticas, uma vez que a capacidade de controlar o movimento quântico coletivo em sistemas mecânicos poderia levar a avanços na detecção quântica e na geração de emaranhamento multipartido.
Todos os dispositivos foram fabricados no Centro de MicroNanoTecnologia (CMi) da EPFL.
Referências
Mahdi Chegnizadeh, Marco Scigliuzzo, Amir Youssefi, Shingo Kono, Evgeny Guzovsky, Tobias J. Kippenberg. Movimento coletivo quântico de osciladores mecânicos macroscópicos. Ciência 20 de dezembro de 2024. adr8
