Investigadores observan el primer salto cuántico en tiempo real en el sonido

Un equipo de la Universidad de Stanford (Estados Unidos) ha documentado la primera observación directa de saltos cuánticos de sonido en un resonador mecánico, completando así un arco de exploración científica que comenzó hace más de cien años. Los hallazgos se recogen en la revista 'Science'.

Los saltos cuánticos, es decir, transiciones repentinas de un estado energético a otro, se han teorizado desde principios del siglo XX. Los científicos demostraron por primera vez estos saltos en iones atrapados en 1986 y, posteriormente, en fotones, las partículas fundamentales de la luz, en 2007. La observación de saltos cuánticos en el sonido había resultado esquiva hasta entonces, pero un equipo liderado por el físico de Stanford, Amir Safavi-Naeini, ha registrado estos fenómenos.

"Lo que demuestra este estudio nos permitirá avanzar en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas basadas en el sonido", subraya Safavi-Naeini, profesor asociad de física aplicada en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford. "Hemos observado que los objetos vibrantes pueden exhibir un comportamiento cuántico, requisito indispensable para muchas de las operaciones necesarias en la computación y la detección cuánticas".

Mientras que una unidad cuántica de luz -su pieza discreta más pequeña posible- es un fotón singular, una unidad cuántica de sonido, o "fonón", representa el movimiento coordinado de un gran grupo de átomos.

Para los sentidos humanos, la vibración sonora, como la que se observa en una campana, parece disminuir gradualmente en lugar de cesar bruscamente. Sin embargo, a nivel cuántico, la energía vibracional de un resonador cambia en pasos discretos, o saltos, similares al comportamiento cuántico de los iones y los fotones. Experimentos anteriores habían encontrado evidencia de estos saltos, pero este estudio es el primero en demostrar que fonones individuales realizan saltos cuánticos en tiempo real.

El resonador mecánico se fabricó utilizando técnicas de fabricación de chips. Es tan pequeño que se podrían integrar varios resonadores en un solo chip para realizar funciones complejas.

La duración de la vibración del resonador fue lo que hizo posible este avance. Funcionando de forma similar a un diapasón microscópico, el resonador puede vibrar durante dos milisegundos. En comparación, si un diapasón de tamaño normal tuviera la misma capacidad, vibraría durante varias horas.

El largo tiempo de resonancia o "tiempo de amortiguación" del resonador permitió tomar cientos de lecturas para determinar el momento en que la vibración dejó de estar presente y el sonido saltó, cuando pasó de un estado de energía de 1 a 0.

Para llevar a cabo este experimento, los investigadores tuvieron que superar un desafío constante en la ingeniería cuántica: cómo obtener una señal de un sistema cuántico sin perturbar su frágil estado.

Los investigadores desarrollaron una forma de combinar el resonador mecánico microscópico con un cúbit superconductor, un circuito eléctrico que puede almacenar información cuántica y servir como detector. "Tuvimos que desarrollar continuamente nuevos procesos para crear este objeto vibrante de vida extremadamente larga y luego integrarlo con el cúbit, que es nuestro pequeño detector eléctrico, sin dañar ninguno de los dos subsistemas", detallan.

El cúbit puede leer lo que sucede en el resonador mecánico, comprobando repetidamente durante los dos milisegundos de vibración si el fonón en su interior se encuentra en un nivel de energía de 1 o de 0. Así es como los investigadores pueden registrar el momento en que se produce un salto cuántico.

Este estudio representa un primer paso fundamental, pero la capacidad de detectar saltos cuánticos en el sonido podría dar lugar a numerosos avances. Podría ayudar a resolver el problema de la corrección de errores en la computación cuántica, por ejemplo. Si bien la computación cuántica tiene un gran potencial para manejar algunos cálculos complejos que superan la capacidad de las computadoras tradicionales, los frágiles estados cuánticos pueden causar errores antes de que finalice un cálculo. En muchas arquitecturas de computación cuántica, un salto cuántico representa un error, pero identificar cuándo ocurren ha sido difícil. Por lo tanto, la capacidad de detectar saltos cuánticos en el sonido marca un paso importante hacia la corrección de errores.

Debido a su pequeño tamaño y alta sensibilidad, la combinación de resonador mecánico y cúbit también podría utilizarse para la detección de alta precisión. Por ejemplo, el equipo de Safavi-Naeini, en colaboración con el equipo del físico Michael Roukes en Caltech (Estados Unidos), ya está explorando el uso de esta plataforma para detectar e identificar proteínas dentro de las células.

Las tecnologías cotidianas también podrían beneficiarse. El sonido es fundamental para los teléfonos inteligentes y muchos otros dispositivos, y este avance podría ser un paso hacia la próxima generación de estos aparatos, afirmó Szakiel, estudiante de doctorado en el laboratorio de Safavi-Naeini.

"Esto demuestra que podemos tener un control del sonido increíblemente preciso, lo que podría significar que los dispositivos que utilizan el sonido como tecnología fundamental pueden mejorar mucho", concluyen los autores.