EL SONIDO, PILLADO DANDO SALTOS DE UN CUANTO EN UN CUANTO

Si se pulsa una cuerda de guitarra, el sonido se apaga suavemente. La mecánica cuántica, sin embargo, predice que la energía de cualquier objeto que vibra llega en paquetes discretos: los fonones, los cuantos del sonido. El problema es que no se pueden ver observando cómo se mueve el objeto. Una medida de la posición solo muestra siempre un decaimiento exponencial suave, exactamente como un oscilador clásico.

Para revelar los paquetes hay que medir la propia energía, y hacerlo sin perturbarla: lo que se llama una medida cuántica no destructiva. Estos saltos entre niveles de energía se vieron primero en iones atrapados de uno en uno y después en partículas de luz atrapadas en cavidades. Un equipo de la Universidad de Stanford y el SLAC, dirigido por Amir Safavi-Naeini, lo ha logrado ahora con un objeto que vibra.

Un cristal flotando sobre un cúbit

El objeto vibrante es un diminuto bloque de niobato de litio, un cristal que convierte la vibración en voltaje. Se encuentra en el centro de una viga con un patrón de agujeros periódicos que actúan como espejos acústicos y atrapan la vibración en su interior. Su masa efectiva es de unos 0,2 picogramos, la quinta parte de una billonésima de gramo.

El detector es un cúbit superconductor, el mismo tipo de circuito que se usa en los ordenadores cuánticos. Las dos partes se fabrican por separado y luego una máquina de unión de precisión estampa el cristal sobre el cúbit, de modo que el bloque flota a solo 75 nanómetros por encima de él.

El acoplamiento funciona así: cada fonón del bloque desplaza la frecuencia del cúbit en 328 kilohercios. Ajustando el tiempo de una breve secuencia de pulsos, el cúbit termina en un estado si el número de fonones es par y en el otro si es impar. Como en la práctica el bloque contiene como mucho un fonón, todo se reduce a una pregunta sencilla: ¿cero o uno? Cada comprobación dura unos 12 microsegundos.

Los saltos

Primero, el equipo aprendió a reconocer un único fonón. Una sola comprobación acierta solo alrededor del 68 % de las veces, así que la repiten: tras seis respuestas seguidas de “un fonón”, el bloque contiene exactamente un fonón con un 85 % de probabilidad.

Después siguieron preguntando, 294 veces seguidas. Las respuestas en bruto ya lo muestran a simple vista: un largo tramo de casi siempre “uno” y luego un cambio brusco a casi siempre “cero”. El bloque no perdió su energía poco a poco; perdió su único fonón de un solo salto, en un momento aleatorio que variaba de una ejecución a otra. Los tiempos de estos saltos siguen una ley exponencial, la firma de un proceso espontáneo y sin memoria.

Las cifras que lo hacen posible

• Un fonón sobrevive 2,1 milisegundos en este bloque, lo que los autores califican de excepcionalmente largo para este tipo de resonador a frecuencias de gigahercios. Lo atribuyen a dos decisiones: ningún metal toca el resonador y su superficie superior nunca recibe el haz de iones usado para grabarlo.
• Eso deja margen para unas 170 comprobaciones dentro de la vida de un fonón.
• Cada comprobación deja el fonón intacto alrededor del 99 % de las veces. La pequeña perturbación acorta la vida del fonón a unos 0,65 milisegundos mientras se le observa.
• La cifra de mérito combinada, llamada cooperatividad, supera los 3 millones, lo que según los autores es diez veces mejor que otras plataformas de acústica cuántica.

Hacia bits cuánticos hechos de sonido

El siguiente paso de los autores es un bit cuántico de “doble raíl” formado por dos resonadores mecánicos que comparten un cúbit, en el que la pérdida de un fonón se convierte en un error detectable. Su técnica de estampado permite colocar varios resonadores en el mismo chip. También apuntan a los sensores: un objeto así de ligero, que vibra durante tanto tiempo, es lo que se necesita para pesar una sola molécula.

Por ahora, la medida aún tiene límites: una sola comprobación está lejos de ser perfecta y no puede distinguir cero fonones de dos. Dos de los autores son Amazon Scholars, y Amazon Web Services ayudó a financiar el trabajo.

Los saltos cuánticos se han visto ya en átomos, en la luz y, con este experimento, en el sonido.