Científicos de Stanford han capturado sonido realizando saltos cuánticos repentinos por primera vez, un logro que abre una nueva era para computadoras cuánticas y sensores capaces de detectar las señales biológicas más débiles. El trabajo está descrito en Science.
Desde principios del siglo XX, la teoría cuántica ha explicado las transiciones repentinas entre estados de energía conocidos como saltos cuánticos. Los investigadores observaron inicialmente estos en iones atrapados en 1986 y luego en fotones en 2007. Para el sonido, sin embargo, capturar un salto cuántico en el acto ha demostrado ser más difícil.
Las cosas han cambiado. El físico de Stanford Amir Safavi-Naeini lideró al equipo cuyo nuevo estudio siguió directamente a los fonones individuales, la unidad cuántica del sonido, mientras saltaban entre estados de energía en tiempo real.
El Fonón como Unidad Cuántica
La partícula más pequeña de luz es el fotón. El sonido, a su vez, tiene su propia unidad más pequeña, el fonón, que describe el movimiento conjunto de muchos átomos.
El sonido cotidiano se desvanece gradualmente, como una campana que se vuelve más silenciosa hasta que el ruido se desvanece por completo. A nivel cuántico, sin embargo, la historia cambia. La energía vibratoria de un resonador se desplaza en pasos particulares, mostrando el mismo tipo de comportamiento que los iones y los fotones.
Algunos experimentos anteriores habían indicado que el sonido podría experimentar estas transiciones. Ahora, este nuevo estudio ha ido más allá, observando en realidad cómo los fonones individuales realizan cada uno de los saltos directamente.
Un Resonador Microscópico Que Suena Durante Mucho Tiempo
El resonador mecánico del experimento se construyó utilizando métodos de fabricación de chips. Debido a sus pequeñas dimensiones, se pueden colocar múltiples de estos resonadores en un solo chip para manejar funciones intrincadas.
La duración del tiempo que el dispositivo mantuvo vibrando fue una característica destacada. Funciona como un pequeño diapasón, capaz de oscilar durante dos milisegundos. Si un diapasón de tamaño regular operara con la misma persistencia, sonaría durante varias horas.
El prolongado «tiempo de decaimiento» permitió a los investigadores recopilar cientos de lecturas, lo que a su vez les permitió precisar el instante en que la vibración cesó y el sonido saltó de un estado de energía de 1 a 0.
Medir Sin Deteriorar el Estado
El experimento abordó un problema difícil en el campo de la ingeniería cuántica. La cuestión era cómo observar lo que está sucediendo dentro de un sistema cuántico sin alterar el delicado estado que se está midiendo.
Takuma Makihara y Erik Szakiel, quienes fueron los autores principales conjuntos del estudio, descubrieron un medio de emparejar el diminuto resonador mecánico con un qubit superconductor. Este circuito eléctrico es capaz de almacenar información cuántica y sirvió como el detector en este arreglo.
Makihara, un reciente graduado de doctorado de Stanford, fue quien dijo: «Tuvimos que desarrollar continuamente nuevos procesos para crear este objeto vibratorio extremadamente duradero y luego integrarlo con el qubit, que es nuestro pequeño detector eléctrico, sin dañar ninguno de los subsistemas».
Durante los dos milisegundos de vibración, el qubit sigue verificando el resonador mecánico para ver si el fonón se encuentra en un estado de energía de 1 o 0. A través de mediciones repetidas, los investigadores pueden precisar exactamente cuándo ocurre el salto cuántico.
De la Corrección Cuántica de Errores a la Detección de Proteínas
Los investigadores consideran los hallazgos como un movimiento inicial pero significativo hacia tecnologías que tratan el sonido mismo como una base para el trabajo cuántico.
Las computadoras cuánticas prometen resolver problemas que las máquinas convencionales no pueden manejar, pero sus estados cuánticos se desmoronan fácilmente. Pueden ocurrir errores antes de que se complete un cálculo, lo que es donde entra la corrección cuántica de errores.
Cuando una computadora cuántica encuentra un error, un salto cuántico a menudo señala el problema. Capturar esos saltos ha demostrado ser difícil, razón por la cual la capacidad de monitorearlos en sonido ahora ofrece una nueva forma valiosa de detectar y corregir errores cuánticos.
El resonador mecánico y el par qubit podrían desarrollarse en una plataforma de detección altamente sensible, y el grupo de Safavi-Naeini ya está trabajando con el equipo del físico Michael Roukes en Caltech para probar si el sistema puede detectar y distinguir proteínas dentro de las células.
Mejor Control del Sonido
Más allá de las tecnologías cuánticas especializadas, este tipo de avance podría eventualmente encontrar usos más generales. El sonido tiene una gran importancia en los teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos, y un control cada vez más exacto de las vibraciones podría ayudar a nuevas generaciones de esas tecnologías, según Szakiel, un estudiante doctoral actual en el laboratorio de Safavi-Naeini.
«Esto demuestra que podemos tener un control increíblemente fino del sonido, lo que podría significar que los dispositivos que utilizan el sonido como tecnología fundamental pueden mejorar mucho», dijo.
Stanford Q-FARM y Bio-X también declaran a Safavi-Naeini como miembro. Entre los coautores adicionales de la universidad, figura David Schuster, quien ocupa la cátedra Joan Reinhart y sirve como profesor de física aplicada en H&S. Shannon Harvey, científica de SLAC Nati, completa el grupo de autores de Stanford.
Esta investigación representa un paso reciente en la larga historia de la física cuántica, que se remonta a más de un siglo. Antes del sonido, los científicos habían observado saltos cuánticos en iones atrapados y fotones.
- Los iones atrapados mostraron saltos cuánticos en 1986.
- Los fotones mostraron saltos en 2007.
- Ahora, el sonido se une a la lista.
La investigación añade el sonido a la lista, haciéndolo a través del seguimiento directo de saltos individuales.
Material fuente: “Por primera vez, los científicos observan cómo el sonido salta entre estados cuánticos,” ScienceDaily.
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