Na última década, os cientistas fizeram um tremendo progresso na geração de fenômenos quânticos em sistemas mecânicos. O que parecia impossível apenas quinze anos atrás agora se tornou realidade, à medida que os pesquisadores criam com sucesso estados quânticos em objetos mecânicos macroscópicos.

Ao acoplar esses osciladores mecânicos a fótons de luz - conhecidos como "sistemas optomecânicos" - os cientistas conseguiram resfriá-los até seu nível de energia mais baixo, próximo ao limite quântico , "apertá-los" para reduzir ainda mais suas vibrações e envolvê-los com uns aos outros. Esses avanços abriram novas oportunidades em sensoriamento quântico , armazenamento compacto em computação quântica, testes fundamentais de gravidade quântica e até mesmo na busca por matéria escura.

Para operar com eficiência sistemas optomecânicos no regime quântico, os cientistas enfrentam um dilema. Por um lado, os osciladores mecânicos devem ser adequadamente isolados de seu ambiente para minimizar a perda de energia ; por outro lado, eles devem estar bem acoplados a outros sistemas físicos , como ressonadores eletromagnéticos, para controlá-los.

Atingir esse equilíbrio requer maximizar o tempo de vida do estado quântico dos osciladores que é afetado pelas flutuações térmicas do ambiente e instabilidades de frequência dos osciladores - o que é conhecido no campo como "decoerência". Este é um desafio persistente em vários sistemas, desde os gigantescos espelhos usados ??em detectores de ondas gravitacionais até minúsculas partículas presas em alto vácuo. Em comparação com outras tecnologias, como qubits supercondutores ou armadilhas de íons, os sistemas opto e eletromecânicos de hoje ainda mostram taxas de decoerência mais altas.

Agora, os cientistas do laboratório de Tobias J. Kippenberg na EPFL enfrentaram o problema desenvolvendo uma plataforma optomecânica de circuito supercondutor que mostra decoerência quântica ultrabaixa enquanto mantém um grande acoplamento optomecânico que resulta em um controle quântico de alta fidelidade. O trabalho foi publicado recentemente na Nature Physics .

"Em palavras simples, demonstramos o maior tempo de vida do estado quântico já alcançado em um oscilador mecânico, que pode ser usado como um componente de armazenamento quântico em computação quântica e sistemas de comunicação", diz Amir Youssefi, Ph.D. aluno que liderou o projeto. “Esta é uma grande conquista e impacta uma ampla gama de públicos em física quântica, engenharia elétrica e engenharia mecânica”.

O elemento-chave da descoberta é um "capacitor de cabeça de tambor com abertura a vácuo", um elemento vibratório feito de um filme fino de alumínio suspenso sobre uma trincheira em um substrato de silício. O capacitor serve como componente vibratório do oscilador e também forma um circuito de micro-ondas ressonante.

Por meio de uma nova técnica de nanofabricação, a equipe reduziu significativamente as perdas mecânicas no ressonador da pele do tambor, alcançando uma taxa de decoerência térmica sem precedentes de apenas 20 Hz, equivalente a uma vida útil do estado quântico de 7,7 milissegundos - a mais longa já alcançada em um oscilador mecânico.

A notável diminuição na decoerência induzida termicamente permitiu que os pesquisadores usassem a técnica de resfriamento optomecânico, resultando em impressionantes 93% de fidelidade da ocupação do estado quântico no estado fundamental. Além disso, a equipe alcançou compressão mecânica abaixo da flutuação do ponto zero do movimento, com um valor de -2,7 dB.

"Este nível de controle nos permite observar a evolução livre de estados mecânicos comprimidos preservando seu comportamento quântico por um período prolongado de 2 milissegundos, graças à taxa de defasagem pura excepcionalmente baixa de apenas 0,09 Hz no oscilador mecânico", diz Shingo Kono, que contribuíram com a pesquisa.

“Essa decoerência quântica ultrabaixa não apenas aumenta a fidelidade do controle quântico e da medição de sistemas mecânicos macroscópicos , mas também beneficiará a interface com qubits supercondutores e coloca o sistema em um regime de parâmetros adequado para testes de gravidade quântica”, diz Mahdi Chegnizadeh, outro membro da equipe de pesquisa "O tempo de armazenamento consideravelmente mais longo em comparação com os qubits supercondutores torna a plataforma uma candidata perfeita para aplicativos de armazenamento quântico."