Fotografia ad angolo del dispositivo completamente confezionato. Il chip superiore (meccanico) è fissato a faccia in giù al chip inferiore (qubit) da un polimero adesivo. Credito:Agnetta Cleland
I ricercatori della Stanford University hanno sviluppato un dispositivo sperimentale chiave per le future tecnologie basate sulla fisica quantistica che prende in prestito una pagina dagli attuali dispositivi meccanici di tutti i giorni.
I dispositivi acustici affidabili, compatti, durevoli ed efficienti sfruttano il movimento meccanico per svolgere compiti utili. Un ottimo esempio di un tale dispositivo è l'oscillatore meccanico. Quando vengono spostati da una forza, come il suono, per esempio, i componenti del dispositivo iniziano a muoversi avanti e indietro nella loro posizione originale. La creazione di questo movimento periodico è un modo pratico per tenere traccia del tempo, filtrare i segnali e rilevare il movimento nell'elettronica onnipresente, inclusi telefoni, computer e orologi.
I ricercatori hanno cercato di portare i vantaggi dei sistemi meccanici nelle scale estremamente piccole del misterioso regno quantistico, dove gli atomi interagiscono delicatamente e si comportano in modi controintuitivi. A tal fine, i ricercatori di Stanford guidati da Amir Safavi-Naeini hanno dimostrato nuove capacità accoppiando minuscoli oscillatori nanomeccanici con un tipo di circuito in grado di immagazzinare ed elaborare energia sotto forma di qubit, o "bit" quantistico di informazioni. Utilizzando il qubit del dispositivo, i ricercatori possono manipolare lo stato quantistico degli oscillatori meccanici, generando il tipo di effetti quantomeccanici che un giorno potrebbero potenziare i sistemi di elaborazione avanzati e di rilevamento ultraprecisi.
"Con questo dispositivo, abbiamo mostrato un importante passo successivo nel tentativo di costruire computer quantistici e altri utili dispositivi quantistici basati su sistemi meccanici", ha affermato Safavi-Naeini, professore associato presso il Dipartimento di Fisica Applicata alla Stanford's School of Humanities and Scienze. Safavi-Naeini è autore senior di un nuovo studio pubblicato il 20 aprile sulla rivista Nature descrivere i risultati. "Stiamo essenzialmente cercando di costruire sistemi 'meccanici quantomeccanici'", ha affermato.
Raccolta di effetti quantistici sui chip dei computer
I primi autori congiunti dello studio, Alex Wollack e Agnetta Cleland, entrambi dottorandi. candidati a Stanford, ha guidato lo sforzo di sviluppare questo nuovo hardware quantistico basato sulla meccanica. Utilizzando le Stanford Nano Shared Facilities nel campus, i ricercatori hanno lavorato in camere bianche mentre indossavano "tute da coniglio" bianche che coprono il corpo indossate negli impianti di produzione di semiconduttori per evitare che le impurità contaminino i materiali sensibili in gioco.
Con attrezzature specializzate, Wollack e Cleland hanno fabbricato componenti hardware a risoluzioni su scala nanometrica su due chip di computer in silicio. I ricercatori hanno quindi fatto aderire i due chip insieme in modo che i componenti sul chip inferiore fossero di fronte a quelli della metà superiore, in stile sandwich.
Sul chip inferiore, Wollack e Cleland hanno modellato un circuito superconduttore in alluminio che forma il qubit del dispositivo. L'invio di impulsi a microonde in questo circuito genera fotoni (particelle di luce), che codificano un qubit di informazioni nel dispositivo. A differenza dei dispositivi elettrici convenzionali, che memorizzano bit come tensioni che rappresentano uno 0 o un 1, i qubit nei dispositivi di meccanica quantistica possono anche rappresentare combinazioni ponderate di 0 e 1 contemporaneamente. Ciò è dovuto al fenomeno della meccanica quantistica noto come sovrapposizione, in cui un sistema quantistico esiste in più stati quantistici contemporaneamente fino a quando il sistema non viene misurato.
"Il modo in cui la realtà funziona a livello di meccanica quantistica è molto diverso dalla nostra esperienza macroscopica del mondo", ha affermato Safavi-Naeini.
Il chip superiore contiene due risonatori nanomeccanici formati da strutture cristalline sospese simili a ponti, lunghe solo poche decine di nanometri, o miliardesimi di metro. I cristalli sono fatti di niobato di litio, un materiale piezoelettrico. I materiali con questa proprietà possono convertire una forza elettrica in movimento, che nel caso di questo dispositivo significa che il campo elettrico convogliato dal fotone qubit viene convertito in un quanto (o una singola unità) di energia vibrazionale chiamata fonone.
Illustrazione concettuale di uno stato di Bell, in cui un'unità di energia vibrazionale è condivisa tra due oscillatori. Il sistema esiste contemporaneamente in due possibili stati:il primo possibile stato quantistico (tra parentesi, a sinistra del segno più) mostra l'oscillatore di destra che vibra e l'oscillatore di sinistra fermo. Il secondo stato possibile mostra l'energia vibrazionale che occupa l'oscillatore di sinistra, con quello di destra fermo. Il dispositivo esiste in una sovrapposizione di entrambi i possibili stati, il che significa che ogni oscillatore si sta muovendo e non si sta muovendo contemporaneamente, finché non viene misurato. Una misurazione del sistema produrrebbe solo uno dei due risultati rappresentati (tra parentesi):se si osservasse che l'oscillatore di sinistra vibra, la mano destra sarebbe necessariamente ferma e viceversa. Questo illustra l'entanglement tra i due oscillatori:eseguendo una misurazione per apprendere informazioni sul movimento di un solo oscillatore, un osservatore determinerebbe anche lo stato dell'altro oscillatore, senza doverlo misurare separatamente. Credito:Agnetta Cleland
"Proprio come le onde luminose, che sono quantizzate in fotoni, le onde sonore sono quantizzate in 'particelle' chiamate fononi", ha detto Cleland, "e combinando l'energia di queste diverse forme nel nostro dispositivo, creiamo una tecnologia quantistica ibrida che sfrutta i vantaggi di entrambi."
La generazione di questi fononi ha consentito a ciascun oscillatore nanomeccanico di agire come un registro, che è il più piccolo elemento di memorizzazione dei dati possibile in un computer, e con il qubit che fornisce i dati. Come il qubit, gli oscillatori di conseguenza possono anche essere in uno stato di sovrapposizione:possono essere sia eccitati (che rappresentano 1) che non eccitati (che rappresentano 0) allo stesso tempo. Il circuito superconduttore ha consentito ai ricercatori di preparare, leggere e modificare i dati memorizzati nei registri, in modo concettualmente simile al funzionamento dei computer convenzionali (non quantistici).
"Il sogno è realizzare un dispositivo che funzioni allo stesso modo dei chip per computer in silicio, ad esempio nel telefono o su una chiavetta USB, dove i registri memorizzano i bit", ha affermato Safavi-Naeini. "E anche se non possiamo ancora memorizzare bit quantici su una chiavetta USB, stiamo mostrando lo stesso genere di cose con i risonatori meccanici."
Sfruttare l'entanglement
Oltre alla sovrapposizione, la connessione tra i fotoni e i risonatori nel dispositivo ha ulteriormente sfruttato un altro importante fenomeno della meccanica quantistica chiamato entanglement. Ciò che rende gli stati entangled così controintuitivi, e anche notoriamente difficili da creare in laboratorio, è che le informazioni sullo stato del sistema sono distribuite su una serie di componenti. In questi sistemi è possibile sapere tutto su due particelle insieme, ma nulla su una delle particelle osservate individualmente. Immagina due monete che vengono lanciate in due punti diversi e che si osservano cadere come testa o croce in modo casuale con uguale probabilità, ma quando le misurazioni in luoghi diversi vengono confrontate, sono sempre correlate; cioè, se una moneta esce croce, l'altra moneta è garantita come testa.
La manipolazione di più qubit, tutti in sovrapposizione e intrecciati, è l'unico pugno che alimenta il calcolo e il rilevamento nelle ricercate tecnologie quantistiche. "Senza sovrapposizione e molto entanglement, non puoi costruire un computer quantistico", ha affermato Safavi-Naeini.
Per dimostrare questi effetti quantistici nell'esperimento, i ricercatori di Stanford hanno generato un singolo qubit, memorizzato come fotone nel circuito sul chip inferiore. Il circuito è stato quindi autorizzato a scambiare energia con uno degli oscillatori meccanici sul chip superiore prima di trasferire le informazioni rimanenti al secondo dispositivo meccanico. Scambiando energia in questo modo, prima con un oscillatore meccanico e poi con il secondo oscillatore, i ricercatori hanno utilizzato il circuito come strumento per intrappolare meccanicamente quantisticamente i due risonatori meccanici l'uno con l'altro.
"La bizzarria della meccanica quantistica è in piena mostra qui", ha detto Wollack. "Non solo il suono si presenta in unità discrete, ma una singola particella di suono può essere condivisa tra i due oggetti macroscopici aggrovigliati, ciascuno con trilioni di atomi che si muovono, o non si muovono, di concerto."
Per eseguire alla fine calcoli pratici, il periodo di entanglement prolungato, o coerenza, dovrebbe essere significativamente più lungo, nell'ordine dei secondi invece delle frazioni di secondo raggiunte finora. La sovrapposizione e l'entanglement sono entrambe condizioni estremamente delicate, vulnerabili anche a lievi disturbi sotto forma di calore o altra energia, e di conseguenza conferiscono ai dispositivi di rilevamento quantistico proposti una sensibilità squisita. Ma Safavi-Naeini e i suoi coautori ritengono che sia possibile ottenere facilmente tempi di coerenza più lunghi perfezionando i processi di fabbricazione e ottimizzando i materiali coinvolti.
"Abbiamo migliorato le prestazioni del nostro sistema negli ultimi quattro anni di quasi 10 volte all'anno", ha affermato Safavi-Naeini. "Andando avanti, continueremo a compiere passi concreti verso l'ideazione di dispositivi quantomeccanici, come computer e sensori, e porteremo i vantaggi dei sistemi meccanici nel dominio quantistico". + Esplora ulteriormente
