All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit

Na busca para construir uma internet quântica, cientistas estão procurando uma maneira de mover informações delicadas entre pequenos computadores estacionários sem perdê-las pelo caminho. Esses computadores, conhecidos como qubits, frequentemente dependem do spin de um elétron — uma propriedade que atua como uma pequena bússola interna — para armazenar dados. O desafio é que essas agulhas são incrivelmente sensíveis; a menor vibração ou sussurro magnético do ambiente pode embaralhar a informação, fazendo com que o computador esqueça o que estava fazendo. Para resolver isso, pesquisadores há muito buscam a luz, ou fótons, para carregar mensagens entre os nós. No entanto, a luz ocupa muito espaço e pode interferir em si mesma facilmente. Uma alternativa mais compacta é o fônon, uma partícula de som ou vibração que viaja através de materiais sólidos. Como as ondas sonoras são muito menores que as ondas de luz e interagem fortemente com os materiais através dos quais viajam, elas oferecem um caminho promissor para a construção de redes densas e eficientes em um único chip. Mas para usar o som como um mensageiro, os cientistas primeiro tiveram que provar que conseguiam proteger o qubit estacionário do ruído enquanto simultaneamente usavam o som para controlá-lo, uma tarefa que parecia quase impossível porque os métodos usados para blindar o qubit frequentemente entravam em conflito com os métodos usados para falar com ele.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Harvard e da Universidade de Chicago demonstrou agora uma maneira de alcançar esse equilíbrio delicado usando um tipo específico de defeito em um cristal de diamante chamado vacância de silício. Em seu experimento, eles colocaram um único chip de diamante dentro de uma geladeira super-resfriada para congelar as vibrações térmicas aleatórias. Sobre esse diamante, construíram minúsculos dedos metálicos, conhecidos como transdutores interdigitais, que atuam como alto-falantes que convertem sinais elétricos em ondas mecânicas. Quando enviaram um sinal de micro-ondas específico para esses alto-falantes, geraram um fluxo contínuo de ondas sonoras que viajaram pela superfície do diamante. Essas ondas não apenas passaram pela vacância de silício; elas sacudiram a rede cristalina em um ritmo preciso que correspondia à frequência natural do spin do elétron. Essa sacudida constante criou um novo estado estável para o elétron, efetivamente protegendo-o do ruído magnético caótico do ambiente circundante.

Os pesquisadores descobriram que, ao manter este campo mecânico ativo, poderiam estender o tempo que o elétron retém sua informação em mais de três vezes em comparação a quando o campo está desligado. No estado silencioso e não blindado, a memória do elétron durava cerca de 680 nanossegundos antes de desaparecer. Com a proteção mecânica contínua, esse tempo se estendeu para mais de 2 microssegundos. Essa proteção funcionou porque a sacudida constante tornou o elétron menos sensível às flutuações magnéticas lentas e erráticas que normalmente causam erros. Crucialmente, a equipe mostrou que ainda podiam ler e escrever informações neste elétron protegido usando as mesmas ondas mecânicas. Eles usaram um segundo pulso de som, mais fraco, para inverter o estado do elétron e um laser para ver o que acontecia. Isso provou que o elétron poderia ser tanto blindado contra o ruído quanto controlado pelo som ao mesmo tempo, uma combinação que anteriormente fora um grande obstáculo para a construção de redes baseadas em fônons.

Além de proteger a memória, a equipe descobriu que seu método permitia um controle incrivelmente rápido. Eles foram capazes de fazer o spin do elétron oscilar para frente e para trás a uma taxa de 800 milhões de vezes por segundo, uma velocidade que estabelece um novo recorde para este tipo de sistema. Essa alternância rápida é essencial para realizar cálculos complexos rapidamente, antes que a informação tenha a chance de se degradar. Os pesquisadores alcançaram essa velocidade porque sua configuração converteu sinais elétricos em deformação mecânica com alta eficiência, permitindo que eles drivessem o elétron com muito mais força do que métodos anteriores que dependiam de campos magnéticos. Eles também observaram que, nessas velocidades extremas, o comportamento do elétron tornou-se mais complexo, mostrando múltiplas frequências ao mesmo tempo, o que sugere que o sistema está entrando em um novo regime da física onde modelos simples padrão já não se aplicam.

A significância deste trabalho reside na sua capacidade de unificar duas necessidades anteriormente conflitantes: a necessidade de isolar um qubit do ruído e a necessidade de interagir fortemente com ele. Ao usar ondas sonoras para criar um escudo protetor que é também a ferramenta de controle, os pesquisadores abriram caminho para portas quânticas de alta fidelidade, que são as operações básicas necessárias para um computador quântico funcionar. Eles demonstraram que a informação poderia ser inicializada e lida diretamente usando luz, sem a necessidade de etapas extras complicadas para transferir o estado. Esta simplicidade, combinada com a velocidade e o tempo de memória estendido, sugere que as vacâncias de silício em diamante poderiam servir como os nós estacionários para uma futura rede quântica onde a informação é roteada pelo som. Embora os pesquisadores tenham observado que o aquecimento causado pelas ondas sonoras deve ser cuidadosamente gerenciado para manter o diamante frio o suficiente, seus resultados mostram que o compromisso é gerenciável e que os benefícios desta abordagem totalmente mecânica são substanciais. O trabalho representa um passo crucial em direção a redes quânticas robustas e em chip que poderiam um dia ligar computadores quânticos usando as próprias vibrações do mundo sólido.