Hace más de cien años, en plena explosión de la Mecánica Cuántica , los físicos predijeron algo a lo que llamaron ‘saltos cuánticos’. Se trata de transiciones repentinas en las que un sistema pasa de un estado de energía a otro de forma discontinua, de golpe, sin atravesar en ningún momento los estados intermedios. Es como si alguien subiera una escalera pasando mágicamente del primer escalón al cuarto y sin haber pisado ni el segundo ni el tercero. Sin embargo, no fue hasta 1986 cuando se lograron ‘ver’ por fin estos asombrosos saltos en iones atrapados en laboratorio, y más tarde, en 2007, en fotones, las partículas fundamentales de la luz. Pero la observación de los saltos cuánticos de sonido seguía resistiéndose a los científicos. Hasta ahora.Un equipo dirigido por el físico de la Universidad de Stanford Amir Safavi-Naeini, en efecto, ha logrado registrar por primera vez estos fenómenos, todo un hito que acaba de publicarse en ‘ Science ‘ y que abre la puerta a una nueva generación de computadoras cuánticas mucho más precisas y eficientes que las actuales.El sonido a escala atómica«Lo que demuestra este estudio -asegura Safavi-Naeini- nos permitirá avanzar en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas con sonido. Hemos visto que los objetos que vibran pueden exhibir un comportamiento cuántico, que es un requisito previo para muchas de las operaciones que necesitan la computación y la detección cuántica».En la vida diaria, si golpeamos una campana de metal, el material vibra y, para nuestros rudimentarios sentidos humanos, ese sonido parece desvanecerse y atenuarse gradualmente hasta que, de forma suave, se hace el silencio. Sin embargo, en el turbulento mundo cuántico las reglas son otras. A escala atómica, la energía vibratoria de un resonador no se desvanece suavemente, sino que cambia mediante pasos discretos o saltos abruptos.Así, mientras que un ‘paquete’ de luz (es decir, su unidad cuántica indivisible) es un fotón solitario, una unidad cuántica de sonido, a la que llamamos ‘fonón’, es algo mucho más complejo: representa el movimiento coordinado y simultáneo de todo un enjambre de átomos. Y hasta ahora, encontrar la tecnología para ‘pillar’ in fraganti a uno de estos fonones ‘saltando’ parecía un reto insuperable.Un diapasón microscópicoPara conseguirlo, el equipo de Safavi-Naeini fabricó un resonador mecánico usando las mismas técnicas con las que se esculpen los microchips. Se trata de un dispositivo tan pequeño que harían falta cientos de ellos para llenar un único milímetro cuadrado. El resonador funciona, básicamente, como un diapasón musical en miniatura.Si un diapasón de tamaño normal tuviera esta misma capacidad de resonancia, se pasaría varias horas sonando con un solo golpeLa clave del éxito estaba en su tiempo de resonancia, que debía ser lo suficientemente largo como para permitir hacer mediciones. El pequeño bloque de cristal que utilizaron los investigadores es capaz de mantener la vibración (‘sonar’) durante dos milisegundos, nada para nosotros pero una eternidad en el mundo de la física de partículas. Para hacernos una idea, si un diapasón de tamaño humano tuviera esa misma resonancia, se pasaría horas sonando con un único golpecito. Ese inusual y prolongado tiempo permitió a los investigadores realizar cientos de mediciones y ‘cazar’ el instante preciso en el que el sonido colapsó y saltó de un estado de energía 1 a un nivel 0.Mirar sin destruirPero en este punto, el de la observación, Safavi-Naeini y su equipo se enfrentaban al mayor ‘muro’ de la física, porque en el reino cuántico, el mero hecho de observar algo suele destruir su frágil estado. Takuma Makihara y Erik Szakiel, coautores principales del estudio, superaron el escollo acoplando el resonador a un ‘cúbit superconductor’, un microscópico circuito eléctrico capaz de almacenar información y que hace las veces de detector.«Tuvimos que desarrollar procesos nuevos para fabricar este objeto vibratorio de vida extremadamente larga y luego integrarlo con el cúbit -explica Makihara-, que es nuestro pequeño detector eléctrico, sin arruinar ninguno de los dos subsistemas». Durante esos preciados dos milisegundos, el cúbit se dedicó a ‘leer’ una y otra vez lo que ocurría en el interior del cristal, comprobando sin descanso si el fonón seguía allí. Hasta que, en una de esas pasadas, grabó el histórico momento de su salto al vacío.Hacia la computación del futuroNo estamos ante una simple pirueta de la física. En las arquitecturas de los superordenadores cuánticos actuales, un salto cuántico imprevisto representa un error crítico que arruina el cálculo que esté realizando en ese momento. Y dado que los científicos no sabían rastrear el instante exacto del salto, corregir el problema ha sido siempre un trabajo que debían realizar a ciegas. Por eso, saber cómo detectarlos supone abrir de par en par las puertas al desarrollo e implantación de una computación cuántica mucho más poderosa y fiable que la actual.En el turbulento mundo cuántico el sonido de una campana no se desvanece de forma suave, sino que cambia mediante pasos abruptosAdemás, la extrema sensibilidad del dispositivo lo convierte, también, en un potente sensor biológico. De hecho, el equipo de Stanford, trabajando codo a codo con el grupo de Michael Roukes en el instituto Caltech, ya investiga cómo usar estos fonones para identificar proteínas individuales dentro de células vivas. Como apunta Szakiel: «Esto demuestra que podemos tener un control del sonido increíblemente preciso, lo que podría significar que los dispositivos que usan el sonido como tecnología fundamental lleguen a ser mucho mejores». La física, en definitiva, parece estar diciéndonos que no solo ‘ver’, sino ‘escuchar’ al Universo a su escala más íntima, podría ser el mejor camino para seguir adelante.
