Por primera vez, científicos estadounidenses observan en tiempo real un salto cuántico en el sonido

Por primera vez lograron captar el sonido a nivel cuántico en el preciso instante en que un fonón individual desaparece de un resonador mecánico. Los físicos de la Universidad de Stanford siguieron en tiempo real la transición del sistema desde el estado con un fonón hasta el estado sin él. En lugar del habitual decaimiento suave, la energía experimentó un brusco salto cuántico.

No se puede imaginar un fonón como una diminuta partícula del sonido audible habitual. Los físicos llaman así al cuanto del movimiento colectivo de los átomos en un material. La energía de esa vibración toma valores estrictamente determinados, por eso la transición entre niveles ocurre de forma discreta. Las propiedades cuánticas de los fonones se habían demostrado antes, pero no se había conseguido seguir directamente un salto individual durante la vida del resonador.

El equipo acopló un resonador microscópico de niobato de litio con un transmon superconductivo. Ese qubit actuaba como detector y respondía al número de fonones dentro del resonador. La frecuencia del modo mecánico era de aproximadamente 3,277 GHz, y la masa efectiva del resonador no superaba los 0,2 picogramos.

La principal ventaja del montaje fue el tiempo de vida inusualmente largo de la excitación mecánica. Sin lecturas frecuentes, el resonador conservaba la energía alrededor de 2,1 ms. El qubit podía verificar el estado aproximadamente cada 12 µs, y una medición individual preservaba el número de fonones en aproximadamente el 99% de los casos. No obstante, las comprobaciones frecuentes afectaban al sistema y reducían el tiempo de vida efectivo a 649 µs.

Los físicos no fotografiaron el fonón ni observaron su desaparición de forma directa. La secuencia de mediciones permitió reconstruir el estado más probable del resonador en cada instante. La distribución de los saltos encontrados dio un tiempo de vida de 645 ± 29 µs, prácticamente coincidente con la medición independiente. Gracias a este enfoque, el equipo pudo señalar el momento de la transición de un fonón a cero dentro de una trayectoria cuántica individual.

La posibilidad de seguir los saltos de fonones es interesante sobre todo para la computación cuántica, donde una transición repentina entre estados puede significar un error. Si el sistema detecta el momento de fallo, existe la oportunidad de iniciar la corrección más rápidamente. La alta sensibilidad del resonador también es útil para sensores cuánticos. El equipo de Stanford ya estudia la plataforma para la búsqueda de proteínas dentro de las células.

Los fonones se están transformando gradualmente de un objeto de la física fundamental en una herramienta operativa de los dispositivos cuánticos. En agosto, los ingenieros de Harvard hicieron que las oscilaciones sonoras protegieran la memoria cuántica frente al ruido y aumentaran más de tres veces el tiempo de coherencia de un qubit de espín.

Otra vía prometedora vincula las oscilaciones mecánicas con la fotónica. Los físicos ya aprendieron a entrelazar la luz y el sonido, uniendo fotones y fonones en un mismo sistema cuántico. La posibilidad de observar ahora transiciones individuales de fonones añade a esos esquemas una herramienta más de control.