Cientistas da Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) alcançaram um avanço ao sincronizar seis osciladores mecânicos em um estado quântico coletivo, permitindo a observação de fenômenos únicos, como a assimetria da banda lateral quântica. Este avanço abre caminho para a inovação em computação e detecção quântica.
A tecnologia quântica está revolucionando a nossa compreensão do universo, e uma área promissora envolve osciladores mecânicos macroscópicos. Já parte integrante de relógios de quartzo, telemóveis e lasers de telecomunicações, estes dispositivos poderão desempenhar um papel transformador no domínio quântico. Na escala quântica, os osciladores macroscópicos têm o potencial de permitir sensores ultrassensíveis e componentes avançados de computação quântica, trazendo inovações revolucionárias para vários setores.
Alcançar o controle de osciladores mecânicos em nível quântico é um passo fundamental para a concretização dessas tecnologias futuras. No entanto, gerenciá-los coletivamente apresenta desafios significativos, pois requer unidades quase idênticas e altíssima precisão.
A maioria das pesquisas em óptica quântica centra-se em osciladores únicos, demonstrando fenômenos quânticos como o resfriamento do estado fundamental e a compressão quântica. Mas este não é o caso do comportamento quântico coletivo, onde muitos osciladores agem como uma única unidade. Embora essas dinâmicas coletivas sejam fundamentais para a criação de sistemas quânticos mais fortes, elas exigem um controle excepcionalmente preciso de múltiplos osciladores com propriedades quase idênticas.
Cientistas liderados por Tobias Kippenberg da EPFL alcançaram agora um objetivo há muito almejado: conseguiram preparar seis osciladores mecânicos num estado coletivo, observaram o seu comportamento quântico e mediram fenómenos que só ocorrem quando os osciladores agem em grupo. A pesquisa, publicada na Science, marca um importante passo em frente para a tecnologia quântica, abrindo as portas para sistemas quânticos de grande escala.
“Isso é possibilitado pelo grau extremamente baixo de desordem entre as frequências mecânicas na plataforma supercondutora, tão baixo quanto 0,1%”, disse Mahdi Chegnizadeh, primeiro autor do estudo. "Essa precisão permite que os osciladores entrem em um estado coletivo no qual se comportem como um sistema unificado e não como componentes independentes."
Para observar os efeitos quânticos, os cientistas usaram o resfriamento de banda lateral, uma técnica que reduz a energia do oscilador ao estado fundamental quântico – a energia mais baixa permitida pela mecânica quântica.
O resfriamento da banda lateral funciona iluminando o oscilador com um laser cuja frequência é ligeiramente inferior à frequência natural do oscilador. A energia da luz interage com o sistema vibratório, subtraindo energia dele. Este processo é crucial para observar efeitos quânticos sutis porque reduz as vibrações térmicas, aproximando o sistema do estado estacionário.
"Ao aumentar o acoplamento entre a cavidade de micro-ondas e o oscilador, o sistema faz a transição da dinâmica individual para a dinâmica coletiva. Ainda mais interessante, ao preparar modos coletivos no estado fundamental quântico, observamos assimetria de banda lateral quântica, que é característica do movimento coletivo quântico. Normalmente, o movimento quântico é restrito a um único objeto, mas aqui abrange todo o sistema oscilador, "diz Marco Scigliuzzo, co-autor do estudo.
Os pesquisadores também observaram taxas de resfriamento mais altas e o surgimento de modos mecânicos “escuros”, ou seja, modos que não interagem com a cavidade do sistema e mantêm energias mais altas.
Essas descobertas fornecem confirmação experimental de teorias de comportamento quântico coletivo em sistemas mecânicos e abrem novas possibilidades para explorar estados quânticos. Estas descobertas também têm implicações importantes para as futuras tecnologias quânticas, uma vez que a capacidade de controlar o movimento quântico coletivo em sistemas mecânicos poderia permitir a detecção quântica e o emaranhamento multipartidário.
Compilado de /scitechdaily