I fisici dell'Universität Regensburg hanno accoppiato le vibrazioni di una macromolecola, un nanotubo di carbonio, a una cavità a microonde, creando un sistema optomeccanico innovativo e altamente miniaturizzato. Il team del Dr. Andreas K. Hüttel ha ottenuto questo utilizzando la quantizzazione della carica elettrica, cioè., che è trasportato da singoli elettroni, come un potente meccanismo di amplificazione. I loro risultati sono stati pubblicati il ​​2 aprile in Comunicazioni sulla natura . Rappresentano un passo importante verso la combinazione di tecnologie quantistiche completamente diverse, come, per esempio., qubit di spin elettronico e qubit superconduttori, in un dispositivo.

Normalmente, accoppiare il movimento di una macromolecola come un nanotubo di carbonio alle microonde è difficile. Come mai? Poiché le lunghezze d'onda elettromagnetiche utilizzate nell'informatica quantistica o nei dispositivi di elettrodinamica quantistica a cavità, lavorando a frequenze GHz, sono nell'ordine dei millimetri. Un tipico dispositivo a nanotubi, utile sia per intrappolare elettroni in stati quantistici noti che come risonatore vibrazionale, è lungo meno di un micrometro, con ampiezze di vibrazione inferiori al nanometro. A causa di questa discrepanza di dimensioni, il movimento del nanotubo non modifica molto il campo elettromagnetico di una cavità a microonde. L'accoppiamento previsto dalla teoria optomeccanica standard è minimo.

Ancora, raggiungere tale accoppiamento e controllarlo, senza guidare il nanotubo a grandi ampiezze di vibrazione, è per molte ragioni un'idea attraente. Un nanotubo è un eccellente risonatore di corde, immagazzinare energia per lungo tempo; la sua vibrazione potrebbe essere utilizzata per tradurre le informazioni quantistiche tra gradi di libertà fondamentalmente diversi. E sia i singoli elettroni intrappolati che i circuiti a microonde superconduttori sono ottimi candidati per le architetture di calcolo quantistico.

L'esperimento di Ratisbona, pubblicato come articolo ad accesso libero, ha dimostrato che l'interazione tra i due sistemi, vibrazioni e campo elettromagnetico, può essere amplificato di un fattore 10, 000 rispetto a semplici previsioni geometriche. Ciò si ottiene utilizzando la cosiddetta capacità quantistica:la corrente è trasportata da elettroni discreti, il che significa che caricando un condensatore molto piccolo, come un nanotubo, non avviene continuamente ma piuttosto per gradi. Scegliendo un punto di lavoro sulla curva a gradini, l'accoppiamento optomeccanico è controllabile, e può essere acceso e spento rapidamente.

"Attuiamo un cosiddetto sistema optomeccanico ad accoppiamento dispersivo, innovativo ed entusiasmante da un lato a causa della miniaturizzazione della parte meccanica e degli effetti del singolo elettrone, ma ben noto d'altra parte, poiché esiste un vasto corpo di ricerche teoriche e sperimentali su sistemi optomeccanici più grandi (fino a scale macroscopiche), " dice il dottor Hüttel, attualmente in soggiorno di ricerca presso la Aalto University, Finlandia. "L'interazione optomeccanica può essere utilizzata per il raffreddamento della vibrazione, per rilevarlo in modo altamente sensibile, per l'amplificazione dei segnali, o anche per la preparazione arbitraria di stati quantistici. I nostri risultati indicano che il controllo quantistico della vibrazione dei nanotubi simile a una stringa sarà raggiungibile nel prossimo futuro. E questo lo rende molto attraente come una specie di centralino quantistico, combinando fenomeni quantistici molto diversi."