¿Cómo se observó en tiempo real el primer salto cuántico del sonido?

Por primera vez, un equipo de físicos ha conseguido observar en tiempo real un salto cuántico del sonido. El experimento, realizado en la Universidad de Stanford, permitió seguir una diminuta vibración mecánica hasta el instante en que su energía pasó bruscamente de un nivel cuántico a otro. No fue una desaparición gradual: el sistema saltó del estado energético 1 al 0.

El hallazgo, publicado en la revista Science, supone la primera observación directa de saltos cuánticos de fonones en un resonador mecánico. Dicho de una manera más terrenal: los investigadores han visto cómo una vibración que, a nuestra escala, parecería apagarse suavemente se comporta de forma muy distinta en el mundo cuántico. Allí abajo, donde la intuición cotidiana empieza a hacer aguas, la energía no siempre baja por una pendiente; puede hacerlo por peldaños.

Qué es exactamente un salto cuántico del sonido

Conviene aclarar una cuestión importante. Los científicos no han contemplado una onda sonora viajando por una habitación y dando un extraño brinco en mitad del aire. El experimento se realizó con un resonador mecánico microscópico, fabricado mediante técnicas propias de la producción de chips y sometido a condiciones cuidadosamente controladas.

Lo que se estudia son los fonones, que pueden entenderse como cuantos de vibración. Si el fotón representa un cuanto de luz, el fonón describe una cantidad discreta de energía vibratoria asociada al movimiento coordinado de muchos átomos. No es una pequeña bolita de sonido recorriendo el dispositivo, aunque esa imagen resulte tentadora.

En nuestra experiencia habitual, una campana golpeada suena cada vez más bajo hasta callarse. Parece un proceso continuo. A escala cuántica, sin embargo, la energía de determinadas vibraciones está cuantizada: solo puede adoptar ciertos valores. El experimento de Stanford permitió seguir precisamente la transición entre dos de ellos.

De una vibración al estado de reposo

Los investigadores observaron el momento en que el resonador pasó de su primer estado excitado al estado fundamental, equivalente en el experimento a una transición de 1 a 0 fonones.

Ahí está lo extraordinario. No se limitó a inferirse el resultado antes y después. El equipo pudo realizar mediciones sucesivas y reconstruir la evolución del sistema hasta identificar el salto individual mientras ocurría.

La mecánica cuántica llevaba más de un siglo describiendo la naturaleza mediante niveles discretos de energía. Los saltos cuánticos se observaron directamente en iones atrapados en 1986 y, dos décadas después, en 2007, se registraron saltos asociados al número de fotones almacenados en una cavidad. Las vibraciones mecánicas seguían siendo mucho más esquivas.

El diminuto resonador que hizo posible observarlo

La pieza decisiva fue un resonador nanomecánico capaz de mantener su vibración durante aproximadamente 2,1 milisegundos. Puede parecer una eternidad bastante pobre —apenas una fracción de segundo—, pero en este tipo de sistemas es un intervalo excepcionalmente largo.

Stanford lo compara con un pequeño diapasón. Si un diapasón convencional conservara proporcionalmente una vibración durante tanto tiempo como este resonador microscópico, continuaría sonando durante horas.

Esos milisegundos dieron a los científicos algo enormemente valioso: tiempo. Dentro de aquella brevísima ventana pudieron efectuar cientos de mediciones y comprobar repetidamente en qué estado energético se encontraba el resonador.

El reto era hacerlo sin destrozar aquello que se pretendía observar. En física cuántica, medir un sistema no es precisamente asomarse discretamente por una ventana; la interacción con el instrumento puede alterar el propio estado medido.

Un qubit convertido en detector

Takuma Makihara y Erik Szakiel, primeros autores del trabajo, integraron el resonador con un qubit superconductor, un circuito eléctrico capaz de trabajar con información cuántica y utilizado aquí como detector.

La técnica permitió realizar mediciones repetidas del número de fonones mediante una medición cuántica no destructiva, diseñada para obtener información sobre el estado energético sin eliminar inmediatamente aquello que se está siguiendo.

El dispositivo podía comprobar una y otra vez si el resonador continuaba en el nivel 1 o había caído al 0. De esa sucesión de observaciones emerge el salto: durante un tiempo el fonón está presente y, de pronto, deja de estarlo.

El estudio informa además de una preparación de estados de un solo fonón con una fidelidad del 85 %, uno de los datos que muestran hasta qué punto el experimento exigía controlar un objeto mecánico extraordinariamente delicado.

Por qué importa para la computación cuántica

Más allá de su interés como demostración de física fundamental, observar estas transiciones puede resultar útil para una de las grandes dificultades de la computación cuántica: los errores.

Los estados cuánticos son frágiles. Pueden perder información debido a interacciones con el entorno, ruido o procesos espontáneos antes de que termine un cálculo. En determinadas arquitecturas, un salto cuántico constituye precisamente una señal de que algo ha cambiado donde no debía.

Detectarlo mientras sucede abre la posibilidad de conocer mejor cuándo aparece el error y desarrollar sistemas capaces de identificarlo y corregirlo. Eso no significa que Stanford haya resuelto de golpe la corrección de errores cuánticos —sería bastante más cómodo—, sino que ha demostrado una nueva capacidad experimental sobre la que construir técnicas posteriores.

El matiz es importante. El trabajo publicado en Science constituye una demostración fundamental de control y medición cuántica; no un ordenador cuántico libre de errores ni una tecnología lista para abandonar el laboratorio.

De los sensores de precisión a los teléfonos móviles

Otra vía particularmente interesante está en la sensorística de altísima precisión. Un resonador diminuto capaz de reaccionar ante cambios extraordinariamente pequeños podría convertirse en una herramienta para detectar fenómenos que actualmente resultan difíciles de medir.

El grupo dirigido por Amir Safavi-Naeini trabaja también en posibles aplicaciones de esta plataforma para la detección e identificación de proteínas dentro de las células. La idea aprovecha precisamente la sensibilidad extrema de estos sistemas mecánicos.

No es todavía un dispositivo médico listo para colocarse sobre una mesa de laboratorio clínico. Entre demostrar un fenómeno físico y convertirlo en una herramienta rutinaria suele existir un trecho considerable. En ciencia, como en las obras públicas, inaugurar el primer metro del túnel no significa haber llegado a la otra montaña.

Aun así, poder manipular y leer estados vibratorios individuales proporciona una nueva pieza con la que diseñar sensores capaces de responder a masas, fuerzas o desplazamientos minúsculos.

También existe una conexión con la electrónica de consumo. Los dispositivos acústicos microscópicos ya forman parte de teléfonos móviles y otros aparatos electrónicos, donde filtran y procesan señales de radiofrecuencia mediante vibraciones.

Aprender a dominar esas vibraciones en el régimen cuántico podría, con el tiempo, mejorar determinados componentes acústicos, sistemas de comunicación o sensores integrados. El tamaño del resonador empleado en Stanford resulta especialmente interesante porque dispositivos semejantes pueden fabricarse mediante tecnologías compatibles con chips y agruparse en estructuras complejas.

Eso sí: de aquí no sale el móvil cuántico de la próxima Navidad. El experimento utiliza un entorno altamente especializado y un qubit superconductor, por lo que trasladar este nivel de control a productos cotidianos exigiría todavía importantes avances de ingeniería.

La relevancia está en otro sitio. Hasta ahora se sabía que las vibraciones mecánicas obedecían las reglas cuánticas y existían experimentos que habían mostrado distintos aspectos de ese comportamiento. Lo nuevo es haber podido seguir directamente un salto individual en tiempo real, con el fonón pasando entre dos niveles definidos.

Un siglo de teoría convertido en una señal observable

La imagen final resulta casi paradójica. El sonido, algo que asociamos a guitarras, motores, voces o al golpe seco de una puerta, acaba convertido en una manifestación extremadamente limpia de uno de los principios menos intuitivos de la física cuántica.

En el pequeño resonador de Stanford no había una nota musical que pudiera escucharse. Había átomos moviéndose colectivamente y una cantidad mínima de energía vibratoria siendo interrogada una y otra vez. Durante aproximadamente dos milisegundos, el sistema permanecía excitado. Después, el salto aparecía con nitidez: de 1 a 0.

Más de cien años después de que la física empezara a abandonar la cómoda idea de una naturaleza completamente continua, otra frontera se vuelve visible. Esta vez no mediante un átomo aislado o un fotón, sino en un objeto mecánico formado por muchos átomos que vibra.

El avance no convierte todavía nuestros teléfonos en máquinas cuánticas ni elimina los errores de los futuros ordenadores. Hace algo anterior y probablemente más importante: demuestra que los saltos cuánticos del sonido pueden observarse y medirse con el grado de control necesario para empezar a utilizarlos. Y en física experimental, ver claramente lo que hasta ayer se escapaba suele ser donde empiezan las cosas interesantes.