SOM FLAGRADO SALTANDO, UM QUANTUM DE CADA VEZ

Belisque uma corda de violão e o som se apaga suavemente. A mecânica quântica, porém, prevê que a energia de qualquer objeto vibrante vem em pacotes discretos — os fônons, os quanta do som. O problema é que não dá para vê-los observando o objeto se mover. Uma medição de posição só mostra um decaimento exponencial suave, exatamente como o de um oscilador clássico.

Para revelar os pacotes, é preciso medir a própria energia, e fazê-lo sem perturbá-la: a chamada medição quântica não destrutiva (quantum non-demolition). Esses saltos entre níveis de energia foram vistos primeiro em íons isolados aprisionados, depois em partículas de luz presas em cavidades. Uma equipe da Universidade Stanford e do SLAC, liderada por Amir Safavi-Naeini, agora conseguiu isso com um objeto vibrante.

Um cristal flutuando acima de um qubit

O objeto vibrante é um minúsculo bloco de niobato de lítio, um cristal que transforma vibração em tensão elétrica. Ele fica no centro de uma viga recortada cujos furos periódicos funcionam como espelhos acústicos, aprisionando a vibração lá dentro. A sua massa efetiva é de cerca de 0,2 picograma — um quinto de um trilionésimo de grama.

O detector é um qubit supercondutor, o mesmo tipo de circuito usado em computadores quânticos. As duas partes são fabricadas separadamente; depois, uma máquina de colagem de precisão carimba o cristal sobre o qubit, de modo que o bloco flutua a apenas 75 nanômetros acima dele.

O acoplamento funciona assim: cada fônon no bloco desloca a frequência do qubit em 328 quilohertz. Ajustando o tempo de uma curta sequência de pulsos, o qubit termina num estado se o número de fônons for par e no outro se for ímpar. Como, na prática, o bloco contém no máximo um fônon, tudo se resume a uma pergunta simples: zero ou um? Cada verificação leva cerca de 12 microssegundos.

Os saltos

Primeiro, a equipe aprendeu a reconhecer um único fônon. Uma verificação isolada só acerta cerca de 68% das vezes, então eles a repetem: depois de seis respostas “um fônon” seguidas, o bloco contém exatamente um fônon com 85% de probabilidade.

Depois continuaram perguntando — 294 vezes seguidas. As respostas brutas já o mostram a olho nu: um longo trecho com predominância de “um”, depois uma mudança abrupta para predominância de “zero”. O bloco não deixou a sua energia escapar aos poucos; perdeu o seu único fônon num salto, num momento aleatório que variava de uma execução para outra. Os instantes desses saltos seguem uma lei exponencial, a assinatura de um processo espontâneo e sem memória.

Os números que tornam isso possível

Um fônon sobrevive 2,1 milissegundos nesse bloco, o que os autores consideram excepcionalmente longo para esse tipo de ressonador em frequências de gigahertz. Eles atribuem isso a duas escolhas: nenhum metal toca o ressonador, e a sua superfície superior nunca é atingida pelo feixe de íons usado para gravá-lo.
Isso deixa espaço para cerca de 170 verificações dentro do tempo de vida de um fônon.
Cada verificação deixa o fônon intacto em cerca de 99% das vezes. Essa pequena perturbação encurta a vida do fônon para cerca de 0,65 milissegundo enquanto ele está sendo observado.
A figura de mérito combinada, chamada cooperatividade, passa de 3 milhões, o que os autores descrevem como dez vezes melhor que outras plataformas de acústica quântica.

Rumo a bits quânticos feitos de som

O próximo passo dos autores é um bit quântico de “trilho duplo” (dual-rail), feito de dois ressonadores mecânicos que compartilham um mesmo qubit, no qual a perda de um fônon se torna um erro detectável. A sua técnica de carimbo permite vários ressonadores no mesmo chip. Eles também apontam para sensores: um objeto tão leve, que vibra por tanto tempo, é o que se precisa para pesar uma única molécula.

Por enquanto, a medição ainda tem limites: uma verificação isolada está longe de ser perfeita, e ela não consegue distinguir zero fônon de dois. Dois dos autores são Amazon Scholars, e a Amazon Web Services ajudou a financiar o trabalho.

Saltos quânticos já foram vistos em átomos, na luz e, com este experimento, no som.