O som saltou de um nível para outro diante dos sensores e experimento observa em tempo real um salto quântico mecânico
Ressonador microscópico e qubit supercondutor permitiram acompanhar a perda de um único fônon em tempo real
Um ressonador microscópico permitiu observar um salto quântico de vibração acontecendo em tempo real. Pesquisadores da Universidade Stanford acompanharam a perda de um único fônon — o quantum de energia mecânica — enquanto um qubit supercondutor verificava repetidamente o estado do dispositivo sem destruí-lo imediatamente.
O que significa observar um salto quântico em uma vibração?
Na física quântica, a energia de um oscilador não precisa variar continuamente. Ela ocupa níveis discretos. No experimento, o salto quântico observado correspondia à transição do primeiro estado excitado, contendo um fônon, para o estado fundamental, no qual aquela excitação mecânica já havia desaparecido.
Isso contrasta com a experiência cotidiana. Uma corda ou sino parece perder vibração gradualmente, mas essa aparência resulta de enormes quantidades de excitações ocorrendo juntas. Quando o sistema é reduzido e isolado suficientemente, a energia pode ser acompanhada em unidades individuais.
Como os cientistas conseguiram enxergar o fônon desaparecer?
A equipe construiu um pequeno ressonador mecânico de niobato de lítio e o acoplou a um qubit supercondutor, que funcionava como detector. O ressonador conseguia manter sua vibração durante aproximadamente 2,1 milissegundos, tempo excepcionalmente longo para esse tipo de sistema.
Nesse intervalo, os pesquisadores fizeram centenas de medições quânticas não destrutivas, perguntando repetidamente se o ressonador continha um ou zero fônons. As leituras permaneceram indicando “um” até mudarem abruptamente para “zero”, revelando o instante da transição.
- Ressonador mecânico microscópico;
- Um único fônon inicialmente preparado;
- Qubit supercondutor usado como detector;
- Centenas de leituras durante cerca de dois milissegundos;
- Transição abrupta do estado 1 para o estado 0.
Este vídeo apresenta a tecnologia de Stanford para contar individualmente fônons em ressonadores mecânicos.
Por que o salto quântico não poderia ser visto medindo apenas o movimento?
Uma medição convencional acompanha posição ou deslocamento do ressonador. Esse tipo de observação pode mostrar uma vibração diminuindo progressivamente, mas não revela diretamente que sua energia está organizada em quantidades discretas.
Para enxergar um salto quântico, a equipe precisava medir o número de fônons, e não simplesmente quanto a estrutura estava se movendo. O acoplamento dispersivo com o qubit permitiu distinguir os estados energéticos sem absorver imediatamente a excitação que estava sendo observada.
O que tornou possível medir várias vezes sem destruir o sistema?
O experimento utilizou medições conhecidas como quantum nondemolition, ou QND. Nessa abordagem, o detector obtém informação sobre a energia do ressonador procurando perturbar o mínimo possível justamente a quantidade que está sendo acompanhada.
No artigo publicado na Science, Takuma Makihara, Erik Szakiel e colaboradores relatam ainda fidelidade de 85% na preparação de estados com um único fônon e um deslocamento dispersivo de 328 quilohertz por fônon, suficiente para distinguir os níveis.
Por que observar um salto quântico mecânico é diferente de observar um átomo?
Um átomo individual já é naturalmente um sistema microscópico. Um fônon, entretanto, representa o movimento coletivo coordenado de muitos átomos dentro de uma estrutura sólida. Observar a quantização desse movimento aproxima os efeitos quânticos de objetos mecanicamente maiores e fabricados por técnicas semelhantes às utilizadas em chips.
O ressonador continua sendo microscópico e opera em condições experimentais extremamente controladas. Portanto, o resultado não significa que vibrações comuns estejam visivelmente saltando entre estados no cotidiano, mas demonstra diretamente que um objeto mecânico fabricado obedece à mesma quantização fundamental.
O que essa observação pode permitir daqui para frente?
A capacidade de detectar individualmente perdas de fônons pode ser relevante para tecnologias quânticas baseadas em som. Em sistemas de informação quântica, uma transição inesperada pode representar um erro; perceber quando ela ocorreu é uma etapa importante para desenvolver métodos de correção.
Ressonadores mecânicos também são candidatos a sensores extremamente sensíveis. O grupo já investiga aplicações em detecção de pequenas alterações físicas e até de moléculas biológicas. O resultado atual é fundamentalmente experimental, mas estabelece uma ferramenta para controlar vibrações no nível de um único quantum.
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