Detectan un salto cuántico en el sonido por primera vez en la historia

Físicos de la Universidad de Stanford han observado, por primera vez de forma directa, cómo el sonido cambia de energía a saltos discretos y no de manera gradual, confirmando en el laboratorio una predicción de la mecánica cuántica formulada hace más de 100 años.

El hallazgo, publicado en la revista Science y liderado por el físico Amir Safavi-Naeini, cierra una búsqueda que comenzó con la propia formulación de la teoría cuántica a principios del siglo XX y que ya se había verificado antes en otros sistemas físicos, pero nunca en el sonido.

Los llamados saltos cuánticos son transiciones abruptas de un sistema entre dos estados de energía, sin pasar por valores intermedios. La idea es tan antigua como la propia mecánica cuántica, pero demostrarla experimentalmente ha requerido esperar a que los avances tecnológicos permitieran su detección. Los científicos consiguieron observar estos saltos por primera vez en iones atrapados en 1986, y más tarde, en 2007, en fotones, las partículas fundamentales de la luz.

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Jesús Díaz

El sonido, sin embargo, se había resistido. La razón, explican los investigadores, es que un objeto que vibra —como una campana al ser golpeada— parece perder energía de forma continua y suave a nuestros sentidos. Pero a escala cuántica, la energía de un resonador mecánico cambia en pasos discretos, exactamente igual que ocurre con los iones o los fotones. Ya existían indicios previos de este comportamiento, pero este estudio es el primero en registrar, en tiempo real, cómo un solo fonón salta de un nivel a otro.

Un fonón es la unidad cuántica mínima de energía vibracional, el equivalente sonoro del fotón en la luz. La diferencia es que un fotón es una partícula aislada, mientras que un fonón describe el movimiento sincronizado de un número enorme de átomos.

Un sonido casi imposible de escuchar

Para lograr la histórica detección, los investigadores tuvieron que desarrollar un resonador mecánico —fabricado en niobato de litio con las mismas técnicas que se usan para producir chips electrónicos— tan pequeño que caben decenas de ellos en un solo circuito integrado.

El dispositivo es capaz de mantenerse vibrando durante dos milisegundos, un intervalo insignificante a escala humana, pero, para un objeto microscópico, es una duración fuera de lo común. El equipo asegura que si esa misma proporción entre tamaño y duración se trasladara a un objeto como un diapasón, la vibración se prolongaría durante horas.

Ese minúsculo margen de tiempo permitió tomar cientos de mediciones sucesivas antes de que la vibración se apagara del todo, y localizar así el instante exacto en que el sistema pasaba de un estado de energía a otro.

“Tuvimos que desarrollar continuamente nuevos procesos para fabricar este objeto vibrante de vida extremadamente larga y luego integrarlo con el qubit, que es nuestro pequeño detector eléctrico, sin arruinar ninguno de los dos subsistemas”, asegura Takuma Makihara, investigador de Stanford y coautor del estudio.

El resultado fue la detección de estados de un solo fonón con una fidelidad del 85%, y registrar en tiempo real los saltos cuánticos entre el estado fundamental del resonador y su primer estado excitado.

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Confirmar que el sonido salta en lugar de decaer suavemente no cambia nada en el día a día de nadie, al menos por ahora. Pero coloca la última pieza que faltaba para demostrar que la discontinuidad cuántica, ya vista en la luz y en los átomos, también gobierna algo tan cotidiano como una vibración.

Las aplicaciones prácticas de este descubrimiento permiten, por ejemplo, la corrección de errores en computación cuántica, donde un salto no deseado equivale a un error de cálculo difícil de localizar hasta ahora. También, dicen los investigadores, se podría usar este mismo sistema para detectar proteínas dentro de células.

Según explica Erik Szakiel, coautor y doctorando en el laboratorio de Safavi-Naeini: “Este descubrimiento demuestra que podemos tener un control extremadamente fino del sonido, lo que podría significar que los dispositivos que usan el sonido como tecnología fundamental puedan mejorar mucho”, en referencia a componentes como teléfonos móviles, altavoces o micrófonos, aunque de momento es solo una posibilidad a explorar.

“Lo que muestra este estudio nos permitirá avanzar en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas basadas en el sonido”, afirma Safavi-Naeini. “Hemos visto que los objetos vibrantes pueden exhibir comportamiento cuántico, que es el requisito previo para muchas de las operaciones necesarias en computación y sensorización cuánticas”.

Físicos de la Universidad de Stanford han observado, por primera vez de forma directa, cómo el sonido cambia de energía a saltos discretos y no de manera gradual, confirmando en el laboratorio una predicción de la mecánica cuántica formulada hace más de 100 años.