Por primera vez observan en tiempo real un salto cuántico del sonido

Físicos registraron por primera vez en tiempo real cómo un resonador mecánico pierde exactamente un cuanto de energía vibratoria. En lugar de una atenuación continua, el aparato detectó una transición brusca del estado con un fonón al estado sin fonones. Los resultados de las observaciones fueron publicados en Science y ofrecen a los experimentadores una nueva forma de vigilar eventos cuánticos individuales dentro de dispositivos mecánicos.

En el mundo cotidiano el sonido se atenúa de manera continua. Si se golpea un diapasón, la amplitud de sus oscilaciones disminuye gradualmente hasta que el movimiento deja de ser perceptible. A nivel cuántico el panorama es distinto. La energía de un movimiento mecánico está dividida en porciones discretas, y la porción mínima se llama fonón. No hay que imaginar el fonón como una diminuta partícula sonora que viaja dentro del material. Así describen los físicos el cuanto del movimiento colectivo de muchos átomos.

Para el experimento los investigadores fabricaron un resonador mecánico microscópico con técnicas semejantes a las de la fabricación de microchips. El aparato funciona como un diapasón muy pequeño, pero conserva la oscilación alrededor de dos milisegundos. Para un objeto de ese tamaño, ese tiempo de vida es inusualmente largo: según los autores, un diapasón convencional con una calidad de oscilación similar seguiría sonando durante varias horas.

El largo tiempo de atenuación proporcionó al sistema suficiente margen para cientos de mediciones sucesivas. Junto al resonador colocaron un qubit superconductivo, un circuito cuántico eléctrico que en este caso funcionó como detector sensible. El qubit comprobó repetidamente si la oscilación mecánica estaba en el nivel de un fonón o ya había pasado al estado fundamental. La secuencia de mediciones permitió ver el momento concreto de la transición 1 → 0.

La posibilidad de inspeccionar repetidamente el sistema cuántico fue la principal dificultad técnica. Una medición convencional destruye con facilidad el estado frágil, por lo que un único detector sensible no es suficiente. Los autores tuvieron que aumentar simultáneamente la vida de la oscilación mecánica y acoplar el resonador con la circuitería eléctrica de modo que la lectura no destruyera el estado observado tras la primera comprobación.

Los saltos cuánticos son conocidos por los físicos desde hace tiempo. Las transiciones entre estados discretos de iones atrapados se observaron experimentalmente en 1986. En 2007 los investigadores pudieron rastrear el nacimiento y la desaparición de fotones individuales, midiendo repetidamente la luz en un resonador sin que el fotón fuera absorbido de inmediato. Para el movimiento mecánico un experimento análogo resultó mucho más difícil, ya que el fonón está asociado al movimiento colectivo de un gran número de átomos del sólido.

El salto observado no significa que el sonido habitual se corte de repente en medio de la habitación. El experimento trabaja con un modo cuantizado de un resonador microscópico. Al perder energía, el número de fonones en ese modo cambia en valores enteros, por lo que el último cuanto no se hace cada vez más débil y el sistema pasa del nivel 1 al nivel 0. La nueva instalación permitió ver la trayectoria individual de tal transición en el tiempo, y no solo reconstruir sus propiedades a partir de medidas promediadas.

Los autores relacionan el método principalmente con futuros dispositivos cuánticos. En algunas arquitecturas una transición inesperada entre estados energéticos sirve como indicador de un error, por lo que la capacidad de detectar estos eventos durante el funcionamiento puede ser útil para la corrección de errores. Los resonadores mecánicos microscópicos también se consideran como elementos de memoria cuántica, canales de transmisión de información entre diferentes componentes y la base de sensores especialmente sensibles.

Los investigadores también estudian por separado la posibilidad de usar la combinación de resonador y qubit para registrar perturbaciones físicas muy débiles, hasta detectar y distinguir proteínas individuales en células. Los autores no descartan aplicaciones más lejanas en dispositivos cuyo funcionamiento dependa de vibraciones acústicas. El experimento aún no demuestra sensores prácticos ni nuevos componentes para teléfonos inteligentes. El resultado principal es más fundamental: se pudo controlar el objeto mecánico con la precisión suficiente para observar la pérdida del único cuanto de su movimiento a medida que ocurría.