Un dispositivo ponte per l’accoppiamento di circuiti quantistici a dispositivi meccanici
L’optomeccanica è una branca della fisica in cui le microonde rilevano e controllano la posizione di risonatori meccanici o oscillatori, a livello quantistico, il che significa che i ricercatori possono sia «sentire» le fluttuazioni quantistiche che programmare gli stati quantistici. «Questo ci dà l’opportunità di esaminare un territorio inesplorato: la sovrapposizione quantistica di oggetti “pesanti”. Le sovrapposizioni quantistiche, in cui sono combinati diversi stati quantistici, sono ben consolidate per elementi “leggeri” come atomi, fotoni o singoli elettroni, ma restano sfuggenti per gli elementi più pesanti del mondo della fisica classica», spiega Gary Steele, coordinatore del progetto QOM3D, che è stato finanziato dal Consiglio europeo della ricerca. La progettazione del chip a membrana «capovolto» di QOM3D di un oscillatore in grado di analizzare gli effetti gravitazionali ha raggiunto un fattore di merito ultra-elevato di 60 milioni. Il team ha anche sviluppato nuove tecniche per utilizzare qubit superconduttori, o bit quantici, per raffreddare e creare stati quantici a radiofrequenza.
Moto browniano
Secondo il moto browniano dell’energia termica, il nostro mondo è caldo. Di conseguenza, tutti gli oggetti vibrano, compresi quelli meccanici, poiché le molecole d’aria rimbalzano continuamente su di essi. Questi movimenti possono essere rilevati con gli strumenti sensibili dell’optomeccanica, anche quando l’oggetto bersaglio è raffreddato a 10 milligradi sopra lo zero assoluto Kelvin (-273,16 °C, 0 K), condizione nota come «stato fondamentale». Secondo la fisica classica, il moto browniano si ferma a zero Kelvin. Tuttavia, una delle previsioni più spettacolari della meccanica quantistica sostiene che anche in questo caso le cose continuino a vibrare, a causa del «rumore quantico». Uno degli obiettivi di QOM3D era di trovare prove in merito.
Colmare il divario di frequenza
Gli oscillatori del QOM3D erano effettivamente dei minuscoli tamburi meccanici vibranti formati da una membrana ben tesa. Uno strato di metallo rivestiva la parte superiore del tamburo, per poi essere capovolto su un altro chip. Posto in un dispositivo speciale noto come cavità risonante, questo circuito LC superconduttore è in grado accoppiarsi alle vibrazioni meccaniche del tamburo permettendo alla cavità di catturare i segnali a microonde emessi dal circuito LC. L’accoppiamento permetterà ai ricercatori di utilizzare i segnali a microonde per rilevare, e infine controllare a livello quantistico, le vibrazioni del tamburo. Per il controllo degli stati quantici, QOM3D ha sperimentato la tecnologia dei qubit superconduttori sviluppata per il calcolo quantico. «La nostra progettazione radicale non somigliava affatto ai soliti qubit, ma abbiamo ottenuto risultati spettacolari», aggiunge Steele. Prima di riuscire a controllare un dispositivo meccanico a livello quantistico, è necessario superare una sfida significativa: un fenomeno noto come «divario di frequenza». Poiché i qubit operano a frequenze elettromagnetiche di gigahertz (GHz) e il tamburo meccanico a frequenze radio di megahertz (MHz), è necessario un ponte tra i due per ottenere l’accoppiamento. Il team ha sperimentato l’accoppiamento di qubit da GHz a circuiti elettrici che operano alle stesse frequenze MHz dei tamburi, osservando fluttuazioni quantistiche alle frequenze MHz e riuscendo anche a raffreddare i segnali MHz al loro stato fondamentale quantistico e a programmare stati di sovrapposizione quantistica nelle oscillazioni MHz, evidenziando l’esistenza del rumore quantico. «Il forte accoppiamento dei qubit ai dispositivi elettrici Mhz da parte del nostro dispositivo proof of concept mostra la promessa di collegare i circuiti quantistici e i dispositivi meccanici nel futuro», osserva Steele. «Questo è entusiasmante per una serie di applicazioni, quali la risonanza magnetica nucleare o la risonanza magnetica per immagini, o per sensori quantistici ipersensibili che potrebbero, per esempio, misurare i campi gravitazionali quantistici.» Quest’ultima possibilità aprirebbe la porta all’analisi di un problema fondamentale della nostra attuale comprensione delle leggi della natura: l’incompatibilità della meccanica quantistica con la teoria della relatività generale di Einstein, che descrive la gravità.
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