Los físicos de Stanford han desarrollado un "micrófono cuántico" tan sensible que puede medir partículas individuales de sonido, llamados fonones.

El dispositivo, que se detalla el 24 de julio en la revista Naturaleza , eventualmente podría conducir a más pequeños, Computadoras cuánticas más eficientes que operan manipulando el sonido en lugar de la luz.

"Esperamos que este dispositivo permita nuevos tipos de sensores cuánticos, transductores y dispositivos de almacenamiento para futuras máquinas cuánticas, "dijo el líder del estudio Amir Safavi-Naeini, profesor asistente de física aplicada en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford.

Quantum de movimiento

Propuesto por primera vez por Albert Einstein en 1907, Los fonones son paquetes de energía vibratoria emitidos por átomos nerviosos. Estos paquetes indivisibles, o cuantos, de movimiento manifestado como sonido o calor, dependiendo de sus frecuencias.

Como fotones que son los portadores cuánticos de luz, los fonones están cuantificados, lo que significa que sus energías vibratorias están restringidas a valores discretos, similar a cómo una escalera se compone de distintos escalones.

"El sonido tiene esta granularidad que normalmente no experimentamos, "Dijo Safavi-Naeini." Sonido, a nivel cuántico, crepita ".

La energía de un sistema mecánico se puede representar como diferentes estados "Fock":0, 1, 2, y así sucesivamente, según el número de fonones que genera. Por ejemplo, un "estado de 1 Fock" consiste en un fonón de una energía particular, un "estado 2 Fock" consta de dos fonones con la misma energía, etcétera. Los estados de fonones más altos corresponden a sonidos más fuertes.

Hasta ahora, Los científicos no han podido medir los estados de fonones en estructuras diseñadas directamente porque las diferencias de energía entre los estados, en la analogía de la escalera, el espacio entre los escalones es extremadamente pequeño. "Un fonón corresponde a una energía diez billones de billones de veces menor que la energía necesaria para mantener una bombilla encendida durante un segundo, "dijo el estudiante de posgrado Patricio Arrangoiz-Arriola, co-primer autor del estudio.

Para abordar este asunto, el equipo de Stanford diseñó el micrófono más sensible del mundo, uno que explota los principios cuánticos para escuchar a escondidas los susurros de los átomos.

En un micrófono ordinario las ondas sonoras entrantes sacuden una membrana interna, y este desplazamiento físico se convierte en un voltaje medible. Este enfoque no funciona para detectar fonones individuales porque, según el principio de incertidumbre de Heisenberg, La posición de un objeto cuántico no se puede conocer con precisión sin cambiarla.

"Si intenta medir la cantidad de fonones con un micrófono normal, el acto de medir inyecta energía en el sistema que enmascara la energía misma que está tratando de medir, "Dijo Safavi-Naeini.

En lugar de, los físicos idearon una forma de medir los estados de Fock y, por lo tanto, el número de fonones, directamente en ondas sonoras. "La mecánica cuántica nos dice que la posición y el momento no se pueden conocer con precisión, pero no dice nada sobre la energía, "Dijo Safavi-Naeini." La energía se puede conocer con precisión infinita ".

Cantando qubits

El micrófono cuántico que desarrolló el grupo consta de una serie de resonadores nanomecánicos superenfriados, tan pequeños que sólo son visibles a través de un microscopio electrónico. Los resonadores están acoplados a un circuito superconductor que contiene pares de electrones que se mueven sin resistencia. El circuito forma un bit cuántico, o qubit, que puede existir en dos estados a la vez y tiene una frecuencia natural, que se puede leer electrónicamente. Cuando los resonadores mecánicos vibran como un parche de tambor, generan fonones en diferentes estados.

"Los resonadores se forman a partir de estructuras periódicas que actúan como espejos para el sonido. Al introducir un defecto en estas celosías artificiales, podemos atrapar los fonones en medio de las estructuras, "Dijo Arrangoiz-Arriola.

Como presos rebeldes, los fonones atrapados sacuden los muros de sus cárceles, y estos movimientos mecánicos se transmiten al qubit mediante cables ultrafinos. "La sensibilidad del qubit al desplazamiento es especialmente fuerte cuando las frecuencias del qubit y los resonadores son casi iguales, "dijo el primer autor conjunto Alex Wollack, también estudiante de posgrado en Stanford.

Sin embargo, desafinando el sistema para que el qubit y los resonadores vibren a frecuencias muy diferentes, los investigadores debilitaron esta conexión mecánica y desencadenaron un tipo de interacción cuántica, conocida como interacción dispersiva, que vincula directamente el qubit a los fonones.

Este enlace hace que la frecuencia del qubit cambie en proporción al número de fonones en los resonadores. Midiendo los cambios de tono del qubit, los investigadores pudieron determinar los niveles de energía cuantificados de los resonadores vibratorios, resolviendo efectivamente los propios fonones.

"Los diferentes niveles de energía de fonones aparecen como picos distintos en el espectro de qubit, ", Dijo Safavi-Naeini." Estos picos corresponden a los estados de Fock de 0, 1, 2 y así sucesivamente. Estos múltiples picos nunca se habían visto antes ".

Mecánica mecánica cuántica

Dominar la capacidad de generar y detectar fonones con precisión podría ayudar a allanar el camino para nuevos tipos de dispositivos cuánticos que pueden almacenar y recuperar información codificada como partículas de sonido o que pueden convertir sin problemas entre señales ópticas y mecánicas.

Tales dispositivos podrían concebiblemente hacerse más compactos y eficientes que las máquinas cuánticas que usan fotones, ya que los fonones son más fáciles de manipular y tienen longitudes de onda miles de veces más pequeñas que las partículas de luz.

"Ahora, la gente está usando fotones para codificar estos estados. Queremos usar fonones lo que trae consigo muchas ventajas, ", Dijo Safavi-Naeini." Nuestro dispositivo es un paso importante hacia la fabricación de una computadora 'mecánica cuántica' ".