Científicos logran observar por primera vez saltos cuánticos del sonido en tiempo real

Investigadores de Stanford realizaron un hito significativo al observar por primera vez los saltos cuánticos del sonido en un resonador mecánico. Este descubrimiento marca un avance en la investigación en física cuántica, que se remonta a más de un siglo.

Los saltos cuánticos, que son transiciones súbitas de un estado energético a otro, han sido parte de la teoría cuántica desde principios del siglo XX. Si bien se demostraron inicialmente en iones atrapados en 1986 y en fotones en 2007, el sonido había sido un objetivo más complicado. Un equipo liderado por el físico Amir Safavi-Naeini logró registrar estos saltos directamente, con los hallazgos publicados en la revista Science.

"Este estudio permitirá avanzar en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas basadas en sonido", afirmó Safavi-Naeini, profesor asociado de física aplicada en la Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford. "Hemos comprobado que los objetos vibrantes pueden exhibir comportamiento cuántico, lo cual es un requisito previo para muchas de las operaciones necesarias en computación y detección cuántica".

Observando el sonido en el ámbito cuántico

La unidad discreta más pequeña de luz es un fotón, mientras que el equivalente cuántico para el sonido es un fonón, que representa el movimiento coordinado de muchos átomos. En la vida cotidiana, la vibración parece desvanecerse suavemente; por ejemplo, una campana suena cada vez más débil hasta que el sonido desaparece. Sin embargo, a escala cuántica, la energía vibracional de un resonador cambia en pasos discretos en lugar de de manera continua, similar al comportamiento observado previamente en iones y fotones.

Estudios anteriores habían proporcionado evidencia de que el sonido podía experimentar estas transiciones, pero la nueva investigación va más allá al rastrear directamente fonones individuales mientras realizan saltos cuánticos en tiempo real.

Un resonador microscópico con un tiempo de resonancia inusualmente largo

El resonador mecánico utilizado en el experimento fue construido con técnicas de fabricación de chips. Su tamaño diminuto permite que muchos de estos resonadores se coloquen en un solo chip para llevar a cabo tareas complejas. Un aspecto crítico fue la duración de las vibraciones del dispositivo, que actúa como un tenedor de afinación microscópico y puede vibrar durante dos milisegundos. Si un tenedor de afinación de tamaño normal tuviera la misma capacidad relativa para mantener vibraciones, sonaría durante varias horas.

Ese inusual "tiempo de resonancia" permitió a los investigadores recopilar cientos de mediciones. Estas lecturas repetidas les permitieron identificar el momento en que la vibración desapareció y el sonido saltó de un estado energético de 1 a 0.

Midiendo un estado cuántico frágil

El experimento también requirió que los investigadores resolvieran un problema de larga data en la ingeniería cuántica: medir lo que sucede dentro de un sistema cuántico sin interrumpir el delicado estado que se mide. Takuma Makihara y Erik Szakiel, coautores del estudio, desarrollaron un método para acoplar el resonador mecánico microscópico a un qubit superconductor. Un qubit es un circuito eléctrico capaz de almacenar información cuántica y, en este caso, también sirvió como detector.

"Tuvimos que desarrollar continuamente nuevos procesos para crear este objeto vibrante de larga duración y luego integrarlo con el qubit, que es nuestro pequeño detector eléctrico, sin arruinar ninguno de los subsistemas", explicó Makihara, un reciente graduado doctoral de Stanford.

El qubit revisa repetidamente el resonador mecánico durante sus dos milisegundos de vibración, determinando si el fonón está en un estado energético de 1 o 0. Al realizar estas mediciones de forma continua, los investigadores pueden identificar con precisión cuándo ocurre el salto cuántico.

Hacia la computación cuántica y sensores ultra-sensibles

Los investigadores consideran este trabajo como un paso temprano pero importante hacia tecnologías que utilicen el sonido como plataforma cuántica. Una posible aplicación es la corrección de errores cuánticos. Las computadoras cuánticas podrían eventualmente resolver problemas complejos que están más allá del alcance de las computadoras convencionales, pero sus estados cuánticos son extremadamente frágiles y los errores pueden surgir antes de que se complete un cálculo.

En muchos sistemas de computación cuántica, un salto cuántico puede señalar que se ha producido un error. Detectar esos saltos ha sido complicado, por lo que la capacidad de monitorearlos en sonido podría proporcionar una nueva herramienta importante para identificar y corregir errores cuánticos.

La combinación del resonador mecánico y el qubit también podría convertirse en una plataforma de medición altamente sensible. El grupo de Safavi-Naeini ya está trabajando con el equipo del físico Michael Roukes en Caltech para explorar si el sistema podría usarse para detectar e identificar proteínas dentro de las células.

Mejor control del sonido

Este avance podría tener aplicaciones más allá de las tecnologías cuánticas especializadas. El sonido juega un papel importante en los teléfonos inteligentes y muchos otros dispositivos electrónicos, y un control cada vez más preciso sobre las vibraciones podría contribuir a nuevas generaciones de estas tecnologías, según Szakiel, un actual estudiante de doctorado en el laboratorio de Safavi-Naeini.

"Esto demuestra que podemos tener un control extremadamente preciso del sonido, lo que podría significar que los dispositivos que utilizan el sonido como tecnología fundamental pueden mejorar considerablemente", afirmó.

Safavi-Naeini también es miembro de Stanford Q-FARM y Bio-X.

Los coautores adicionales de Stanford incluyen a David Schuster, profesor de física aplicada; Shannon Harvey, científico en SLAC National Accelerator Laboratory; Mihir Pendharkar, científico investigador en Edward L. Ginzton Laboratory; y varios estudiantes de doctorado en física aplicada.

Esta investigación recibió apoyo de Amazon Web Services Inc., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Ciencias, el Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá y el Departamento de Defensa de EE.UU.

Safavi-Naeini y Schuster son ambos Amazon Scholars.

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