Físicos de Stanford observan un salto cuántico de sonido por primera vez

Un equipo de físicos de Stanford ha documentado la primera observación directa de un salto cuántico en el sonido, capturando el instante en que una sola unidad de vibración, conocida como fonón, pasó de un nivel de energía a otro dentro de una barra de cristal del tamaño de un chip. Los hallazgos, publicados en la revista Science, completan una línea de investigación que se remonta a más de un siglo y abren nuevas vías para la computación y la detección cuánticas.science

Una predicción centenaria, finalmente confirmada en el sonido

Los saltos cuánticos, transiciones repentinas y discretas entre estados de energía, se teorizaron por primera vez a principios del siglo XX. Los científicos los demostraron en iones atrapados en 1986 y en fotones en 2007, pero el sonido seguía estando fuera de su alcance. El equipo de Stanford, dirigido por el profesor asociado de física aplicada Amir Safavi-Naeini, construyó un resonador mecánico microscópico a partir de un cristal de niobato de litio acoplado a un cúbit superconductor que podía comprobar el estado de energía del fonón cientos de veces en un intervalo de dos milisegundos.humsci.stanford

"Lo que muestra este estudio nos permitirá avanzar en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas con sonido", afirmó Safavi-Naeini. "Hemos visto que los objetos en vibración pueden exhibir un comportamiento cuántico, que es el requisito previo para muchas de las operaciones necesarias para la computación y la detección cuánticas".humsci.stanford

El resonador vibra durante unos 2,1 milisegundos, un tiempo lo suficientemente largo, según señaló el equipo, como para que un diapasón de tamaño normal con la misma capacidad sonara durante horas. Los co-primeros autores Takuma Makihara y Erik Szakiel desarrollaron un método de fabricación que coloca la barra de cristal a solo 75 nanómetros por encima de un circuito superconductor, lo suficientemente cerca como para leer el estado del fonón sin destruirlo. "Tuvimos que desarrollar continuamente nuevos procesos para fabricar este objeto vibratorio de vida extremadamente larga y luego integrarlo con el cúbit, que es nuestro pequeño detector eléctrico, sin arruinar ninguno de los subsistemas", explicó Makihara.earth+1

De la observación a la corrección de errores

Las implicaciones prácticas son inmediatas. En muchas arquitecturas de computación cuántica, un salto cuántico representa un error: la pérdida de información a mitad del cálculo. Detectar cuándo ocurren estos errores ha sido un obstáculo persistente en este campo. El dispositivo de Stanford no solo detecta la pérdida, sino que deja intacto el estado cuántico restante, un requisito previo para la corrección de errores en tiempo real.earth+1

El equipo ya está aplicando esta plataforma más allá de la informática. En colaboración con el grupo del físico Michael Roukes en Caltech, los investigadores están utilizando el resonador para intentar detectar e identificar proteínas dentro de las células. "Esto demuestra que podemos tener un control increíblemente preciso del sonido, lo que podría significar que los dispositivos que utilizan el sonido como tecnología fundamental pueden mejorar mucho", afirmó Szakiel.humsci.stanford

A continuación, el laboratorio planea construir un dispositivo con dos barras resonadoras en un cúbit compartido, donde la pérdida de un fonón en cualquiera de las barras se registraría como un error marcado en lugar de una corrupción silenciosa, un paso más cerca de la arquitectura que requiere la corrección de errores.earth