Golpea un diapasón y el sonido parecerá desvanecerse lentamente hasta desaparecer. A nuestros oídos no existe ningún momento especial: simplemente se vuelve cada vez más débil. La mecánica cuántica lleva más de un siglo diciendo que, en el nivel más profundo, eso no es realmente lo que ocurre.
La energía no puede tomar cualquier valor. Está dividida en paquetes, como los escalones de una escalera. Eso significa que una vibración microscópica debería perder energía saltando abruptamente de un nivel permitido al siguiente, sin atravesar los valores intermedios.
Ahora, físicos de la Universidad de Stanford han conseguido observar ese salto en el sonido directamente y en tiempo real por primera vez. El trabajo, publicado en Science, registra cómo un fonón (la unidad cuántica asociada a una vibración) desaparece cuando un resonador mecánico pasa súbitamente de un estado con una unidad de energía al estado fundamental.
El sonido no se comporta como una rampa. Se parece más a una escalera
Los saltos cuánticos no son nuevos. La idea apareció prácticamente junto con el nacimiento de la física cuántica. En 1986 consiguieron observarse en iones atrapados y en 2007 llegaron experimentos equivalentes con fotones. El sonido planteaba un problema diferente porque un fonón no es una partícula independiente como un fotón: representa el movimiento colectivo coordinado de una enorme cantidad de átomos dentro de un material.
Ya se había demostrado que los fonones estaban cuantizados. De hecho, el mismo grupo de Stanford desarrolló años atrás dispositivos capaces de contar fonones individuales. Lo que faltaba era algo mucho más difícil: sentarse, metafóricamente, delante de uno y verlo saltar mientras ocurría.
Para conseguirlo, Takuma Makihara, Erik Szakiel y sus compañeros fabricaron un resonador mecánico microscópico con técnicas similares a las utilizadas en la industria de semiconductores. El dispositivo tiene una propiedad crucial: puede seguir vibrando durante aproximadamente dos milisegundos. Parece poquísimo. Para un sistema de ese tamaño es una eternidad.
Stanford lo compara con un diapasón convencional que, una vez golpeado, permaneciera sonando durante varias horas. Esa longevidad permitió realizar cientos de mediciones antes de que la vibración desapareciera.
Durante dos milisegundos preguntaron una y otra vez: “¿el fonón sigue ahí?”
El otro ingrediente fue un qubit superconductor conectado al resonador. Su función era actuar como detector. Los investigadores podían preguntarle repetidamente al sistema si seguía en el estado energético 1 (con un fonón) o había caído al estado 0. Y entonces lo vieron.
No apareció una disminución perfectamente suave entre ambos. En un momento concreto, el estado cambió de uno a cero: el salto cuántico que la teoría predecía para la energía mecánica.
El desafío era especialmente delicado porque medir un sistema cuántico puede alterar justamente aquello que se intenta observar. El equipo tuvo que conseguir que el resonador mantuviera su vibración durante suficiente tiempo y, simultáneamente, conectarlo al qubit sin destruir las propiedades de ninguno de los dos.
La consecuencia inmediata es bastante conceptual: una vibración que desde nuestra escala parece apagarse continuamente está formada, en realidad, por cambios discretos de energía.
Ver el salto también permite saber cuándo algo salió mal
Hay una razón práctica por la que poder observar estos saltos interesa tanto. En determinadas arquitecturas de computación cuántica, un salto inesperado puede representar un error. Los estados cuánticos son extremadamente frágiles y perder información antes de terminar un cálculo es uno de los grandes obstáculos para construir máquinas útiles.
Si un dispositivo puede detectar exactamente cuándo ocurre el salto, resulta mucho más viable identificar ese error y desarrollar estrategias para corregirlo. Stanford considera esta técnica un primer paso hacia plataformas cuánticas basadas en sonido con mejores mecanismos de control.
El mismo nivel de sensibilidad también podría utilizarse para sensores. El grupo ya colabora con investigadores de Caltech para explorar sistemas capaces de detectar e identificar proteínas dentro de células, mientras que tecnologías acústicas presentes en teléfonos y otros dispositivos podrían beneficiarse a largo plazo de un control mucho más preciso de las vibraciones. Son aplicaciones todavía experimentales, no productos preparados para llegar al mercado.
Pero quizá lo más fascinante no necesite ninguna aplicación inmediata. Durante más de un siglo, la física sostuvo que la naturaleza más pequeña no cambia de forma perfectamente continua. Ahora los científicos han conseguido mirar una vibración mientras desaparecía y comprobar algo profundamente contraintuitivo: el sonido tampoco se desvanece hasta llegar a cero. En el último escalón, simplemente salta.
