Investigadores de la Universidad de Stanford en EE. UU. miden por primera vez en tiempo real los saltos cuánticos del sonido

Investigadores de la Universidad de Stanford en Estados Unidos midieron por primera vez en tiempo real los saltos cuánticos del sonido, un logro que abre nuevas vías a la exploración científica y que podría tener aplicaciones inmediatas en computación cuántica y tecnologías de sensores. Los saltos cuánticos son cambios bruscos en los estados de energía de un sistema cuántico. El concepto de salto cuántico existe desde hace más de un siglo: el físico teórico Niels Bohr lo propuso por primera vez en 1913. No fue sino hasta 1986 cuando los científicos observaron por primera vez saltos cuánticos en iones atrapados, y posteriormente, en 2007, se observaron saltos cuánticos en fotones, las partículas fundamentales de la luz.

Primera observación de saltos cuánticos en el sonido

Casi dos décadas después, un equipo de científicos encabezado por el físico de la Universidad de Stanford Amir Safavi-Naeini observó saltos cuánticos en los fonones, las unidades fundamentales del sonido.

Para explicar su hallazgo, Safavi-Naeini recurrió al ejemplo de una campana que, al ser golpeada, va apagándose gradualmente con el tiempo en lugar de dejar de sonar de golpe. Sin embargo, a escala cuántica, esa disminución ocurre a saltos, y el equipo de Safavi-Naeini midió estos saltos en tiempo real, una hazaña sin precedentes. ¿Cómo lo lograron? Para llevar a cabo esta medición, los investigadores construyeron un resonador mecánico del tamaño de un chip de computadora.

El reducido tamaño del resonador permite colocar varias unidades en un solo chip. El resonador funciona como un diapasón y resuena cuando se le golpea. No obstante, el resonador diseñado por los investigadores tiene un tiempo de "resonancia" de tan solo dos milisegundos. Aunque parezca minúsculo, a la escala microscópica en la que opera el resonador equivale a un diapasón vibrando durante varias horas. Así, el prolongado tiempo de resonancia, o "tiempo de decaimiento", del resonador permitió a los investigadores realizar cientos de lecturas que registran con precisión el instante en que su vibración pasa de 1 a 0, es decir, cuándo ocurre el salto cuántico.

Desafíos y soluciones

Desafíos y soluciones

Uno de los principales retos al estudiar sistemas cuánticos es cómo extraer la señal sin perturbar su delicado estado. El equipo de Stanford halló la manera de emparejar el resonador con un qubit superconductor, que actúa como detector. El qubit emparejado permite a los investigadores detectar en tiempo real el instante exacto en que se produce un salto cuántico. Más allá de posibilitar la detección en tiempo real de saltos cuánticos, este trabajo sienta las bases para numerosos avances cuánticos del futuro. Por ejemplo, en computación cuántica, los frágiles estados cuánticos pueden provocar errores antes de que termine un cálculo.

Estos saltos cuánticos se consideran errores, pero hasta ahora ha resultado difícil precisar el momento exacto en que ocurren. La capacidad de detectarlos podría cambiar pronto esta situación. El emparejamiento del resonador microscópico con qubits también puede emplearse en sensórica de precisión: Safavi-Naeini y su equipo ya colaboran con investigadores del Caltech para detectar e identificar proteínas en células. Dado que el sonido es esencial para muchos dispositivos modernos, como los teléfonos inteligentes, también podrían surgir aplicaciones en esos ámbitos.

"Ya hemos visto que los objetos que vibran pueden comportarse de forma cuántica, un requisito previo para muchas operaciones necesarias en computación cuántica y sensórica", declaró Safavi-Naeini en un comunicado de prensa.

"Lo que demuestra este estudio nos permitirá avanzar en el desarrollo de nuevas aplicaciones cuánticas relacionadas con el sonido". Los resultados de la investigación se publicaron en la revista Science.

Impacto de la detección de saltos cuánticos en la tecnología

La detección de saltos cuánticos del sonido representa un gran avance para la tecnología cuántica, ya que no solo impulsa el desarrollo de la computación cuántica, sino que también podría transformar las aplicaciones de las tecnologías de sensores. Gracias a un resonador de diseño innovador, el equipo de investigación logró detectar en tiempo real el instante de los saltos cuánticos sin alterar el estado cuántico, algo crucial para las futuras aplicaciones de la tecnología cuántica. A medida que avancen las tecnologías cuánticas, es probable que surjan más aplicaciones vinculadas al sonido, ampliando aún más los límites de la tecnología.