Immagine al microscopio ottico del risonatore acustico visto dall'alto (due dischi più grandi, il cui interno è il trasduttore piezoelettrico) e dell'antenna collegata al qubit superconduttore (struttura bianca). Credito:adattato da von Lüpke et al, Fisica della natura (2022). DOI:10.1038/s41567-022-01591-2.
Quando si pensa ai sistemi quantomeccanici, possono venire in mente singoli fotoni e ioni e atomi ben isolati, o elettroni che si diffondono attraverso un cristallo. Più esotici nel contesto della meccanica quantistica sono i sistemi quantistici genuinamente meccanici; cioè, oggetti massicci in cui viene quantizzato il movimento meccanico come la vibrazione. In una serie di esperimenti seminali, le caratteristiche quantomeccaniche per eccellenza sono state osservate nei sistemi meccanici, tra cui la quantizzazione dell'energia e l'entanglement.
Tuttavia, al fine di utilizzare tali sistemi negli studi fondamentali e nelle applicazioni tecnologiche, l'osservazione delle proprietà quantistiche è solo un primo passo. Il prossimo è padroneggiare la gestione degli oggetti quantistici meccanici, in modo che i loro stati quantistici possano essere controllati, misurati ed eventualmente sfruttati in strutture simili a dispositivi. Il gruppo di Yiwen Chu del Dipartimento di Fisica dell'ETH di Zurigo ha compiuto importanti progressi in questa direzione. Scrivere in Fisica della natura , riportano l'estrazione di informazioni da un sistema quantistico meccanico senza distruggere il prezioso stato quantistico. Questo progresso apre la strada ad applicazioni come la correzione degli errori quantistici e oltre.
Meccanica quantistica massiccia
I fisici dell'ETH utilizzano come sistema meccanico una lastra di zaffiro di alta qualità, spessa poco meno di mezzo millimetro. Sulla sua sommità si trova un sottile trasduttore piezoelettrico in grado di eccitare le onde acustiche, che vengono riflesse nella parte inferiore e quindi si estendono attraverso un volume ben definito all'interno della lastra. Queste eccitazioni sono il movimento collettivo di un gran numero di atomi, tuttavia sono quantizzate (in unità di energia note come fononi) e possono essere soggette, almeno in linea di principio, a operazioni quantistiche in modo molto simile agli stati quantistici degli atomi , fotoni ed elettroni possono essere.
Curiosamente, è possibile interfacciare il risonatore meccanico con altri sistemi quantistici, e in particolare con qubit superconduttori. Questi ultimi sono minuscoli circuiti elettronici in cui vengono quantizzati gli stati di energia elettromagnetica e sono attualmente una delle piattaforme leader per la costruzione di computer quantistici scalabili. I campi elettromagnetici associati al circuito superconduttore consentono l'accoppiamento del qubit al trasduttore piezoelettrico del risonatore acustico, e quindi ai suoi stati quantistici meccanici.
In tali dispositivi ibridi qubit-risonatore, è possibile combinare il meglio di due mondi. In particolare, le capacità computazionali altamente sviluppate dei qubit superconduttori possono essere utilizzate in sincronia con la robustezza e la lunga durata delle modalità acustiche, che possono fungere da memorie quantistiche o trasduttori. Per tali applicazioni, tuttavia, il semplice accoppiamento degli stati di qubit e risonatore non sarà sufficiente. Ad esempio, una semplice misurazione dello stato quantistico nel risonatore lo distrugge, rendendo impossibili misurazioni ripetute. Ciò che serve invece è la capacità di estrarre informazioni sullo stato quantistico meccanico in un modo più delicato e ben controllato.
Il dispositivo ibrido flip-chip legato, con il chip del risonatore acustico sopra il chip del qubit superconduttore. Il chip inferiore è lungo 7 mm. Credito:adattato da von Lüpke et al, Fisica della natura (2022). DOI:10.1038/s41567-022-01591-2.
Il percorso non distruttivo
Dimostrare un protocollo per tali cosiddette misurazioni quantistiche di non demolizione è ciò che gli studenti di dottorato di Chu Uwe von Lüpke, Yu Yang e Marius Bild, lavorando con il collega di Branco Weiss Matteo Fadel e con il supporto dello studente del progetto semestrale Laurent Michaud, hanno ora ottenuto. Nei loro esperimenti non c'è scambio di energia diretto tra il qubit superconduttore e il risonatore acustico durante la misurazione. Invece, le proprietà del qubit sono fatte dipendere dal numero di fononi nel risonatore acustico, senza bisogno di "toccare" direttamente lo stato quantistico meccanico:pensa a un theremin, lo strumento musicale in cui l'altezza dipende dalla posizione della mano del musicista senza entrare in contatto fisico con lo strumento.
La creazione di un sistema ibrido in cui lo stato del risonatore si riflette nello spettro del qubit è molto impegnativo. Ci sono richieste rigorose su quanto tempo gli stati quantistici possono essere sostenuti sia nel qubit che nel risonatore, prima che svaniscano a causa di imperfezioni e perturbazioni dall'esterno. Quindi il compito del team era quello di aumentare la durata sia del qubit che degli stati quantistici del risonatore. E ci sono riusciti, apportando una serie di miglioramenti, tra cui un'attenta scelta del tipo di qubit superconduttore utilizzato e l'incapsulamento del dispositivo ibrido in una cavità di alluminio superconduttore per garantire una schermatura elettromagnetica ermetica.
Informazioni quantistiche in base alla necessità di sapere
Dopo aver spinto con successo il proprio sistema nel regime operativo desiderato (noto come "regime dispersivo forte"), il team è stato in grado di estrarre delicatamente la distribuzione del numero fononico nel proprio risonatore acustico dopo averlo eccitato con ampiezze diverse. Inoltre, hanno dimostrato un modo per determinare in un'unica misurazione se il numero di fononi nel risuonatore è pari o dispari, una cosiddetta misurazione di parità, senza imparare nient'altro sulla distribuzione dei fononi. Ottenere informazioni così specifiche, ma non altre, è fondamentale in numerose applicazioni della tecnologia quantistica. Ad esempio, un cambiamento di parità (una transizione da un numero dispari a un numero pari o viceversa) può segnalare che un errore ha influenzato lo stato quantistico e che è necessaria una correzione. Qui è essenziale, ovviamente, che lo stato da correggere non venga distrutto.
Prima che sia possibile un'attuazione di tali schemi di correzione degli errori, tuttavia, è necessario un ulteriore perfezionamento del sistema ibrido, in particolare per migliorare la fedeltà delle operazioni. Ma la correzione dell'errore quantistico non è di gran lunga l'unico utilizzo all'orizzonte. C'è un'abbondanza di interessanti proposte teoriche nella letteratura scientifica per i protocolli di informazione quantistica così come per gli studi fondamentali che beneficiano del fatto che gli stati quantistici acustici risiedono in oggetti massicci. Questi forniscono, ad esempio, opportunità uniche per esplorare la portata della meccanica quantistica al limite dei grandi sistemi e per sfruttare i sistemi quantistici meccanici come sensori. + Esplora ulteriormente
