El avance podría contribuir al desarrollo de computadoras cuánticas más fiables y sensores de alta precisión
MIAMI.- Un fenómeno que durante décadas había permanecido fuera del alcance de la observación directa acaba de ser registrado por científicos: el instante preciso en que el sonido experimenta un salto cuántico.
Investigadores de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos, observaron en tiempo real saltos cuánticos de sonido dentro de un diminuto resonador mecánico. El hallazgo, publicado en la revista científica Science, amplía a las vibraciones mecánicas un fenómeno que anteriormente había sido observado en iones y partículas de luz.
Los llamados saltos cuánticos son transiciones repentinas entre distintos niveles de energía. Aunque forman parte de la teoría cuántica desde principios del siglo XX, comprobarlos experimentalmente ha requerido décadas de avances tecnológicos.
En 1986, científicos consiguieron observarlos en iones atrapados y, posteriormente, en 2007, en fotones, las partículas fundamentales de la luz. El sonido, sin embargo, continuaba planteando dificultades.
Ahora, el equipo encabezado por el físico Amir Safavi-Naeini, profesor asociado de Física Aplicada en Stanford, logró registrar el fenómeno en fonones, las unidades cuánticas asociadas al sonido.
En la vida diaria, una vibración sonora parece desaparecer gradualmente. Al tocar una campana, por ejemplo, su sonido disminuye poco a poco hasta dejar de escucharse.
En el universo cuántico, el comportamiento es diferente.
La energía vibracional de un objeto microscópico no necesariamente disminuye de manera continua, sino que puede cambiar entre niveles definidos. Es decir, puede "saltar" de un estado energético a otro.
Mientras un fotón constituye una unidad cuántica de luz, un fonón representa una unidad cuántica de vibración y describe el movimiento coordinado de numerosos átomos.
Experimentos anteriores habían encontrado indicios de estos saltos en sistemas mecánicos, pero los investigadores de Stanford aseguran haber conseguido observar por primera vez cómo fonones individuales realizan esas transiciones en tiempo real.
"Hemos observado que los objetos vibrantes pueden exhibir un comportamiento cuántico", explicó Safavi-Naeini, quien destacó que esta característica resulta fundamental para determinadas operaciones relacionadas con la computación y la detección cuánticas.
Para realizar el experimento, los científicos construyeron mediante técnicas utilizadas en la fabricación de chips un resonador mecánico extremadamente pequeño.
El dispositivo funciona de manera similar a un diapasón microscópico y tiene una característica decisiva: puede mantener su vibración durante aproximadamente dos milisegundos, un periodo considerable para este tipo de sistemas.
Según la comparación utilizada por los investigadores, si un diapasón convencional tuviera proporcionalmente la misma capacidad para conservar su vibración, podría permanecer vibrando durante varias horas.
Ese prolongado "tiempo de amortiguación" permitió a los científicos efectuar cientos de mediciones y determinar el momento exacto en que la vibración desaparecía y el sistema pasaba de un estado energético de 1 a otro de 0.
Uno de los mayores desafíos consistía precisamente en observar lo que ocurría sin destruir o alterar el delicado estado cuántico que pretendían medir.
Para resolverlo, el equipo combinó el resonador mecánico con un cúbit superconductor, un circuito eléctrico capaz de almacenar información cuántica y funcionar, en este caso, como un diminuto detector.
El cúbit comprobaba repetidamente durante los dos milisegundos de vibración si el fonón permanecía en el nivel energético 1 o había pasado al nivel 0. De esa manera fue posible identificar el momento en que se producía el salto.
Más allá de demostrar un fenómeno de la física fundamental, los investigadores consideran que el experimento podría tener aplicaciones prácticas.
Una de ellas se encuentra en la computación cuántica, una tecnología que busca aprovechar las propiedades de la mecánica cuántica para realizar determinados cálculos que resultarían extremadamente difíciles para las computadoras convencionales.
Uno de los grandes obstáculos de estos sistemas es su fragilidad. Los estados cuánticos pueden alterarse antes de que una operación termine y provocar errores en los resultados.
En algunas arquitecturas de computación cuántica, un salto cuántico puede representar precisamente uno de esos errores. Poder detectar el instante en que ocurre podría facilitar el desarrollo de mecanismos destinados a identificarlos y corregirlos.
El reducido tamaño y la sensibilidad del sistema desarrollado en Stanford también abren posibilidades para sensores de alta precisión.
El equipo de Safavi-Naeini trabaja junto al grupo del físico Michael Roukes, del Instituto de Tecnología de California (Caltech), en la exploración de esta plataforma para detectar e identificar proteínas dentro de las células.
El avance también podría tener consecuencias a más largo plazo en tecnologías de uso diario.
El sonido y las vibraciones desempeñan funciones esenciales en numerosos dispositivos electrónicos, incluidos los teléfonos inteligentes. Alcanzar un control mucho más preciso sobre ellos podría contribuir al diseño de nuevas generaciones de componentes y aparatos.
"Esto demuestra que podemos tener un control del sonido increíblemente preciso", señaló el equipo.
Para los investigadores, observar directamente un salto cuántico de sonido constituye apenas un primer paso. Pero demuestra que las vibraciones mecánicas pueden ser medidas y controladas a una escala en la que las reglas de la física cotidiana dejan paso a las del mundo cuántico.
FUENTE: Europa Press
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