Towards a micromechanical qubit based on quantized oscillations in superfluid helium
O artigo propõe um novo design de qubit micromecânico utilizando oscilações quantizadas em hélio superfluido, o qual aproveita o tunelamento Josephson de carga neutra para alcançar níveis de energia discretos e tempos de coerência na escala de milissegundos em temperaturas de milikelvin.
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Na busca por construir máquinas que possam resolver problemas além do alcance dos computadores comuns, cientistas estão constantemente procurando novas maneiras de armazenar e processar informações. As tentativas mais bem-sucedidas até agora baseiam-se em circuitos supercondutores, materiais que conduzem eletricidade sem qualquer resistência. Esses circuitos atuam como minúsculos interruptores que podem existir em dois estados ao mesmo tempo, uma propriedade conhecida como superposição, que forma a base de um bit quântico, ou qubit. No entanto, esses sistemas eletrônicos são sensíveis ao ruído elétrico e requerem blindagem complexa. Uma nova proposta sugere olhar para um tipo diferente de fluido para alcançar o mesmo objetivo. Esta abordagem recorre ao hélio superfluido, um estado da matéria que flui sem fricção e não possui carga elétrica. Ao tratar este líquido sem fricção não como uma substância a ser bombeada, mas como um sistema mecânico que pode vibrar em passos específicos e quantizados, pesquisadores delinearam um caminho para um novo tipo de componente de computador quântico que é imune à interferência elétrica que assola os designs atuais.
Os pesquisadores, trabalhando de instituições no Reino Unido e nos Estados Unidos, propuseram um dispositivo específico que chamam de Oscilador Quântico de Hélio Superfluido, ou SHOQ (Superfluid Helium Oscillator Quantum). O núcleo deste dispositivo é uma pequena célula cilíndrica preenchida com hélio-3 superfluido, um isótopo raro de hélio que se torna superfluido em temperaturas ligeiramente acima do zero absoluto. Uma extremidade desta célula é selada não por uma parede rígida, mas por uma placa elástica e flexível, semelhante a uma pele de tambor. Dentro da célula, uma pequena abertura conecta o fluido a um reservatório maior do mesmo líquido. Esta abertura atua como um "elo fraco", uma passagem estreita onde o comportamento do fluido muda de uma forma que permite que ele realize o tunelamento, tal como partículas passando através de uma barreira que não deveriam ser capazes de atravessar. Quando o fluido flui através deste elo fraco, ele cria uma diferença de pressão que empurra a placa flexível, fazendo com que ela se mova. À medida que a placa se move, ela altera a pressão, o que, por sua vez, altera o fluxo através do elo. Isso cria uma oscilação contínica e autossustentável onde o fluido oscila para frente e para trás e a placa vibra para cima e para baixo.
O avanço deste trabalho é a percepção de que estas vibrações não são contínuas e suaves como uma onda num lago, mas são, em vez disso, feitas de passos discretos e distintos. Tal como uma corda de guitarra só pode vibrar em notas específicas, o superfluido neste dispositivo só pode oscilar em níveis de energia específicos. Os pesquisadores calcularam que, nas temperaturas extremamente baixas exigidas para manter o hélio no seu estado superfluido, estes passos de energia são suficientemente grandes para serem claramente distinguidos uns dos outros. Esta distinção é crucial porque permite que o dispositivo funcione como um qubit, onde o estado de energia mais baixo representa um zero e o próximo nível de energia representa um um. A equipa demonstrou que, ao projetar cuidadosamente o tamanho do elo fraco e a rigidez da placa elástica, poderiam criar um sistema onde estes níveis de energia estariam separados o suficiente para serem controlados, mas próximos o suficiente para serem manipulados por sinais externos.
Uma vantagem significativa deste design é a sua neutralidade. Ao contrário dos circuitos eletrónicos usados nos computadores quânticos atuais, que dependem do movimento de partículas carregadas, este dispositivo utiliza um fluido neutro. Isto significa que é naturalmente blindado contra o ruído elétrico e as flutuações magnéticas que frequentemente causam erros nos sistemas existentes. Os investigadores descobriram que a principal fonte de perda de energia no seu dispositivo proposto provém de um efeito quântico específico envolvendo o tunelamento de partículas individuais através do elo fraco. Mesmo com esta perda, os seus cálculos sugerem que o dispositivo poderia manter o seu estado quântico durante milissegundos, uma duração suficientemente longa para realizar cálculos complexos. Para tornar o dispositivo útil, eles propuseram conectá-lo a um circuito supercondutor padrão, atuando como uma ponte que permite que o sistema de fluido neutro seja lido e controlado por equipamento eletrónico convencional.
O estudo fornece um plano detalhado para a construção destes dispositivos, oferecendo vários designs específicos com diferentes tamanhos para o elo fraco e a placa vibratória. Calcularam que, para uma placa com um raio de cerca de cinco micrômetros e um elo fraco com aproximadamente dez nanómetros de largura, o sistema oscilaria a uma frequência de cerca de quatorze milhões de ciclos por segundo. A uma temperatura de 0,3 milikelvin, o dispositivo seria estável o suficiente para operar como um qubit. Os investigadores também exploraram como introduzir a não linearidade necessária para fazer o dispositivo comportar-se como um verdadeiro qubit em vez de um simples oscilador, descobrindo que, ao ajustar as dimensões físicas dos componentes, poderiam criar as condições certas para o controlo quântico. Embora o artigo não afirme ter construído o dispositivo ainda, demonstra que a física necessária para o fazer funcionar é sólida e que as condições necessárias estão ao alcance da tecnologia experimental atual. Este trabalho abre uma nova porta para a engenharia quântica, sugerindo que o mundo prístino e sem fricção dos superfluidos pode abrigar a próxima geração de processadores de informação quântica.
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