Per l'ultimo decennio, gli scienziati hanno fatto passi da gigante nella loro capacità di costruire e controllare sistemi basati sulle bizzarre regole della meccanica quantistica, che descrivono il comportamento delle particelle su scala subatomica.

Ma una sfida è far sì che i delicati sistemi quantistici giochino bene con quelli meccanici, qualsiasi cosa con parti mobili, che sono alla base di una grande quantità di tecnologia esistente.

In un primo, scienziati dell'Institute for Molecular Engineering dell'Università di Chicago e dell'Argonne National Laboratory hanno costruito un sistema meccanico, una minuscola "camera dell'eco" per le onde sonore, che può essere controllata a livello quantistico, collegandolo a circuiti quantistici. Pubblicato il 21 novembre in Natura , la svolta potrebbe estendere la portata della tecnologia quantistica a nuovi sensori quantistici, comunicazione e memoria.

"Fare in modo che queste due tecnologie parlino tra loro è un primo passo fondamentale per tutti i tipi di applicazioni quantistiche, ", ha affermato l'autore principale dello studio Andrew Cleland, il John A. MacLean Sr. Professore per l'Innovazione e l'Impresa di Ingegneria Molecolare e uno scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory. "Con questo approccio, abbiamo raggiunto il controllo quantistico su un sistema meccanico a un livello ben oltre quello che è stato fatto prima".

In particolare, Cleland ha detto, c'è stato molto interesse nell'integrazione di sistemi quantistici e meccanici al fine di realizzare sensori quantistici incredibilmente precisi in grado di rilevare la più piccola delle vibrazioni o interagire con i singoli atomi.

"Molte tecniche per rilevare le cose si basano sul rilevamento della forza e degli spostamenti, il che significa movimento, " ha detto. "Questi sensori svolgono un ruolo fondamentale in qualsiasi tipo di applicazione in cui si sta cercando di misurare qualcosa. E i sistemi meccanici sono i più facili da costruire e i più sensibili, quindi c'è stato a lungo un interesse nel portarli al limite quantistico." (Sensori meccanici, Per esempio, sono al centro dei sistemi che rilevano le onde gravitazionali, le increspature nel tessuto dello spazio-tempo che ci hanno permesso di "vedere" i buchi neri che si scontrano attraverso l'universo.)

La ricerca di Cleland si concentra in parte sui circuiti elettrici quantistici, e voleva collegare uno di questi circuiti a un dispositivo che genera onde acustiche di superficie, minuscole onde sonore che corrono lungo la superficie di un blocco di materiale solido, come increspature che si muovono sulla superficie di uno stagno. Questo fenomeno gioca un ruolo chiave nei dispositivi di uso quotidiano come i telefoni cellulari, apriporta da garage e ricevitori radio.

Un passo avanti fondamentale è stato costruire i due sistemi separatamente, su diversi tipi di materiale, e poi collegarli insieme. Ciò ha permesso al team di ottimizzare ogni componente e tuttavia di comunicare tra loro. Entrambi devono essere tenuti molto, molto freddo, appena dieci millesimi di grado sopra lo zero assoluto.

Gli scienziati sono entusiasti perché questo offre loro una piattaforma per sperimentare il suono a livello quantistico.

"Questo particolare risultato apre le porte per poter fare molte cose con il suono che puoi già fare con la luce, " Cleland ha detto. "Il suono si sposta di 100, 000 volte più lento della luce, che ti dà più tempo per fare le cose. Ad esempio, se stai archiviando informazioni quantistiche in una memoria, può durare molto più a lungo immagazzinata nel suono che nella luce."

Ci sono una serie di domande fondamentali senza risposta su come si comportano le onde sonore nel regno quantistico, Egli ha detto, e questo sistema potrebbe fornire agli scienziati una piattaforma per affrontarli.

La tecnica potrebbe anche indicare la strada verso un "traduttore" quantistico che consentirebbe la comunicazione quantistica a qualsiasi distanza. Gli atomi elettronici con cui lavora il gruppo di Cleland possono operare e comunicare solo a temperature molto basse; l'acustica quantistica potrebbe consentire a questi circuiti di convertire le informazioni quantistiche in segnali ottici che potrebbero quindi essere comunicati su grandi distanze a temperatura ambiente. È possibile che una configurazione di onde acustiche possa costituire la base per un tale sistema, noto come ripetitore quantistico, ha detto Cleland.

Il primo autore fu Kevin Satzinger, Ph.D.'18, ora con Google. I coautori del documento includevano Assoc. Prof. David Schuster e Prof. David Awschalom, così come i ricercatori post-dottorato Audrey Bienfait e Etienne Dumur; studenti laureati Youpeng Zhong, Hung Shen Chang, Greg Peair, Ming-Han Chou, Joel Grebel, Rhys Povey e Sam Whiteley; e gli studenti universitari Ben November e Ivan Gutierrez (entrambi AB'18).

Uno studio separato nella stessa edizione di Natura , guidato da Robert Schoelkopf alla Yale University, riporta anche la creazione di eccitazioni a singolo fonone. Presi insieme, i due studi aprono una nuova strada per l'archiviazione di informazioni quantistiche, hanno detto gli autori.

I dispositivi sono stati fabbricati nella Pritzker Nanofabrication Facility presso l'IME.