Stanford observa por primera vez saltos cuánticos en sonido en tiempo real

Hace más de cien años que los físicos teorizan sobre los saltos cuánticos, esos momentos en que la energía salta de un estado a otro sin pasos intermedios. Los primeros en verlos fueron científicos que observaban iones atrapados en 1986. Luego vinieron los fotones, las partículas de luz, capturados en 2007. Pero el sonido se resistía. Nadie había logrado ver en tiempo real cómo la energía vibracional daba esos saltos discretos. Hasta ahora.

Un equipo de la Universidad de Stanford, liderado por el físico Amir Safavi-Naeini, acaba de documentar la primera observación directa de saltos cuánticos en sonido usando un resonador mecánico microscópico. El hallazgo aparece publicado en la revista Science. "Lo que demuestra este estudio nos permitirá avanzar en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas basadas en el sonido", explica Safavi-Naeini, profesor asociado 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".

La diferencia entre lo que vemos y lo que sucede a nivel cuántico es abismal. Cuando golpeas una campana, el sonido parece desvanecerse gradualmente, suavemente. Pero en el mundo cuántico, la energía vibracional no funciona así. Cambia en pasos discretos, en saltos. Una unidad cuántica de luz es un fotón singular. Una unidad cuántica de sonido, llamada fonón, es el movimiento coordinado de un gran grupo de átomos. Los investigadores anteriores habían encontrado indicios de estos saltos, pero este es el primer estudio que demuestra que fonones individuales realizan saltos cuánticos en tiempo real.

El resonador mecánico es tan pequeño que fue fabricado usando las mismas técnicas que se emplean para hacer chips de computadora. Funciona como un diapasón microscópico. Un diapasón normal vibra durante unos segundos. Este resonador vibra durante dos milisegundos. Pero aquí está lo crucial: si un diapasón de tamaño normal tuviera la misma capacidad relativa, vibraría durante varias horas. Ese tiempo de vibración prolongado fue lo que hizo posible el avance. Permitió a los investigadores tomar cientos de lecturas para determinar exactamente cuándo la vibración pasaba de un estado energético de 1 a 0, cuándo ocurría el salto.

Pero medir un sistema cuántico sin perturbarlo es uno de los desafíos más grandes de la física moderna. Los investigadores tuvieron que desarrollar una solución ingeniosa: integraron el resonador mecánico microscópico con un cúbit superconductor, un circuito eléctrico capaz de almacenar información cuántica y actuar 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 los investigadores. El cúbit funciona como un observador delicado: durante los dos milisegundos de vibración, comprueba repetidamente si el fonón en el interior del resonador se encuentra en un nivel de energía de 1 o de 0. Así es como registran el momento exacto en que ocurre el salto cuántico.

Este primer paso abre puertas a aplicaciones prácticas inmediatas. La computación cuántica tiene un potencial enorme para resolver cálculos complejos que están fuera del alcance de las computadoras tradicionales. Pero los estados cuánticos son frágiles. Se pueden romper, causando errores antes de que un cálculo termine. En muchas arquitecturas de computación cuántica, un salto cuántico representa precisamente un error. El problema es que hasta ahora ha sido difícil detectar cuándo ocurren estos saltos. La capacidad de observarlos en sonido marca un paso importante hacia la corrección de errores cuánticos.

La combinación de resonador mecánico y cúbit también promete aplicaciones en detección de alta precisión. El equipo de Safavi-Naeini ya colabora con el físico Michael Roukes en Caltech para explorar cómo usar esta plataforma en la detección e identificación de proteínas dentro de las células. El pequeño tamaño del resonador y su alta sensibilidad lo hacen ideal para este tipo de trabajo. Lo que comenzó como una pregunta teórica hace más de un siglo ahora empieza a convertirse en herramienta.