Máquina cuántica

Para demostrar el comportamiento mecánico cuántico, el equipo primero necesitaba enfriar el resonador mecánico hasta que estuviera en su estado fundamental cuántico , el estado con la energía más baja posible .

Una temperatura${\displaystyle T\ll {\frac {hf}{k}}}$se requería, donde${\displaystyle h}$es la constante de Planck ,${\displaystyle f}$es la frecuencia del resonador, y${\displaystyle k}$es la constante de Boltzmann . ^{[ a ]}

Equipos de investigadores anteriores habían tenido dificultades con esta etapa, ya que un resonador de 1 MHz , por ejemplo, necesitaría enfriarse a la temperatura extremadamente baja de 50 μK . ^{[ 7 ]} El equipo de O'Connell construyó un tipo diferente de resonador, un resonador acústico de volumen de película , ^{[ 5 ]} con una frecuencia de resonancia mucho mayor (6 GHz) que, por lo tanto, alcanzaría su estado fundamental a una temperatura (relativamente) más alta (~0,1 K); esta temperatura podría alcanzarse fácilmente con un refrigerador de dilución . ^{[ 5 ]} En el experimento, el resonador se enfrió a 25 mK. ^{[ 5 ]}     

El resonador acústico de película estaba hecho de material piezoeléctrico , de modo que al oscilar, su forma cambiante generaba una señal eléctrica variable, y, a la inversa, una señal eléctrica podía afectar sus oscilaciones. Esta propiedad permitió acoplar el resonador con un cúbit de fase superconductor , un dispositivo utilizado en computación cuántica cuyo estado cuántico puede controlarse con precisión.

En mecánica cuántica, las vibraciones están compuestas de vibraciones elementales llamadas fonones . Enfriar el resonador hasta su estado fundamental puede considerarse equivalente a eliminar todos los fonones. El equipo logró transferir fonones individuales del cúbit al resonador. También lograron transferir un estado de superposición , donde el cúbit se encontraba en una superposición de dos estados simultáneamente, al resonador mecánico. ^{[ 8 ]} Esto significa que el resonador "vibró literalmente un poco y mucho al mismo tiempo", según la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia . ^{[ 9 ]} Las vibraciones duraron solo unos pocos nanosegundos antes de ser interrumpidas por influencias externas disruptivas. ^{[ 10 ]} En el artículo de Nature , el equipo concluyó: "Esta demostración proporciona una sólida evidencia de que la mecánica cuántica se aplica a un objeto mecánico lo suficientemente grande como para ser visto a simple vista". ^{[ 5 ]}