Impresión artística de una serie de resonadores nanomecánicos diseñados para generar y atrapar partículas de sonido o fonones. Los movimientos mecánicos de los fonones atrapados son detectados por un detector cúbit, que cambia su frecuencia dependiendo del número de fonones en un resonador. Los diferentes fonones son visibles como picos distintos en el espectro cúbit, que se muestra esquemáticamente detrás de los resonadores. Crédito de la imagen: Wentao Jiang.
Físicos de la Universidad de Stanford (USA) han creado un dispositivo capaz de escuchar los susurros cuánticos de los átomos, abriendo paso a un nuevo tipo de ordenadores cuánticos.
Se trata de una especie de micrófono cuántico que permite escuchar las partículas individuales del sonido, llamadas fonones, que están presentes en una onda sonora.
El dispositivo marca una gran diferencia con los micrófonos clásicos, que se basan en las vibraciones de las ondas sonoras: desplazan una membrana que se convierte en un voltaje medible.
Pero este dispositivo no sirve para medir fonones, porque al estar en el universo cuántico su posición no puede establecerse con precisión sin modificarla, tal como señala el principio de incertidumbre de Heisenberg.
El nuevo micrófono resuelve esta limitación, ya que es tan sensible que puede escuchar fonones, es decir, las cuasipartículas que reflejan la energía vibratoria existente entre los átomos.
Las cuasipartículas son excitaciones cuánticas formadas por partículas más pequeñas que, juntas, actúan como si fueran una sola de comportamiento predecible.
Son como los bancos de peces: la dificultad para detectar fonones se debe a que las diferencias de energía entre ellos es muy pequeña.
Tal como explica Patricio Arrangoiz-Arriola, autor principal, en un comunicado, "un fonón tiene energía diez mil millones de veces menor que la necesaria para mantener encendida una bombilla durante un segundo".
Por este motivo, no se pueden medir con un micrófono clásico, ya que la energía que este micrófono inyecta al sistema distorsiona su posición y su medida.
Midiendo la energía del fonón
Propuestos por Albert Einstein en 1907, los fonones son paquetes de energía vibracional emitidos por átomos nerviosos. Estos paquetes indivisibles, o cuantos, de movimiento, se manifiestan como sonido o calor dependiendo de sus frecuencias.
El micrófono cuántico puede detectarlos individualmente porque posee una serie de resonadores tan pequeños que solo son visibles a través de un microscopio electrónico.
Los resonadores actúan como espejos para el sonido y están acoplados a un circuito superconductor que contiene pares de electrones que se mueven sin resistencia.
El circuito superconductor forma un bit cuántico, o cúbit, que puede existir en dos estados a la vez y tiene una frecuencia natural que puede leerse electrónicamente. Cuando los resonadores mecánicos vibran, generan fonones en diferentes estados.
Los investigadores consiguieron vincular el cúbit con los fonones generados por los resonadores o espejos del sonido y a continuación medir los cambios del cúbit: obtuvieron así la medida de los fonones, por el reflejo de su energía en el cúbit.
Se trata de una especie de micrófono cuántico que permite escuchar las partículas individuales del sonido, llamadas fonones, que están presentes en una onda sonora.
El dispositivo marca una gran diferencia con los micrófonos clásicos, que se basan en las vibraciones de las ondas sonoras: desplazan una membrana que se convierte en un voltaje medible.
Pero este dispositivo no sirve para medir fonones, porque al estar en el universo cuántico su posición no puede establecerse con precisión sin modificarla, tal como señala el principio de incertidumbre de Heisenberg.
El nuevo micrófono resuelve esta limitación, ya que es tan sensible que puede escuchar fonones, es decir, las cuasipartículas que reflejan la energía vibratoria existente entre los átomos.
Las cuasipartículas son excitaciones cuánticas formadas por partículas más pequeñas que, juntas, actúan como si fueran una sola de comportamiento predecible.
Son como los bancos de peces: la dificultad para detectar fonones se debe a que las diferencias de energía entre ellos es muy pequeña.
Tal como explica Patricio Arrangoiz-Arriola, autor principal, en un comunicado, "un fonón tiene energía diez mil millones de veces menor que la necesaria para mantener encendida una bombilla durante un segundo".
Por este motivo, no se pueden medir con un micrófono clásico, ya que la energía que este micrófono inyecta al sistema distorsiona su posición y su medida.
Midiendo la energía del fonón
Propuestos por Albert Einstein en 1907, los fonones son paquetes de energía vibracional emitidos por átomos nerviosos. Estos paquetes indivisibles, o cuantos, de movimiento, se manifiestan como sonido o calor dependiendo de sus frecuencias.
El micrófono cuántico puede detectarlos individualmente porque posee una serie de resonadores tan pequeños que solo son visibles a través de un microscopio electrónico.
Los resonadores actúan como espejos para el sonido y están acoplados a un circuito superconductor que contiene pares de electrones que se mueven sin resistencia.
El circuito superconductor forma un bit cuántico, o cúbit, que puede existir en dos estados a la vez y tiene una frecuencia natural que puede leerse electrónicamente. Cuando los resonadores mecánicos vibran, generan fonones en diferentes estados.
Los investigadores consiguieron vincular el cúbit con los fonones generados por los resonadores o espejos del sonido y a continuación medir los cambios del cúbit: obtuvieron así la medida de los fonones, por el reflejo de su energía en el cúbit.
Aplicaciones
Este descubrimiento abre la posibilidad de utilizar fonones, en vez de fotones, para la computación cuántica.
Esta posibilidad permitiría crear ordenadores cuánticos más seguros y potentes, ya que los fonones son más fáciles de manipular que los fotones y tienen longitudes de onda que son miles de veces más pequeñas que las partículas de luz.
Eso significa que estamos a las puertas de una nueva forma de almacenar información codificada mediante el sonido (fonones) y no mediante la luz (fotones), de la que dependen en la actualidad los ordenadores cuánticos.
Gestionaremos la información entonces a través del murmullo del mundo cuántico, en vez de a través de la luz que lo cruza, porque el sonido, a nivel cuántico, crepita, señalan los investigadores.
Este descubrimiento abre la posibilidad de utilizar fonones, en vez de fotones, para la computación cuántica.
Esta posibilidad permitiría crear ordenadores cuánticos más seguros y potentes, ya que los fonones son más fáciles de manipular que los fotones y tienen longitudes de onda que son miles de veces más pequeñas que las partículas de luz.
Eso significa que estamos a las puertas de una nueva forma de almacenar información codificada mediante el sonido (fonones) y no mediante la luz (fotones), de la que dependen en la actualidad los ordenadores cuánticos.
Gestionaremos la información entonces a través del murmullo del mundo cuántico, en vez de a través de la luz que lo cruza, porque el sonido, a nivel cuántico, crepita, señalan los investigadores.
Referencia
Resolving the energy levels of a nanomechanical oscillator. Patricio Arrangoiz-Arriola et al. Nature, volume 571, pages 537–540 (2019). DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-019-1386-x
Resolving the energy levels of a nanomechanical oscillator. Patricio Arrangoiz-Arriola et al. Nature, volume 571, pages 537–540 (2019). DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-019-1386-x