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TECNOLOGIA

27 de julio de 2019

Los científicos crean un micrófono cuántico súper sensible que podría contar partículas de sonido

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

El dispositivo, que se detalla en la revista  Nature , podría eventualmente conducir a computadoras cuánticas más pequeñas y eficientes que operan mediante la manipulación del 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 Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford.

 

Cuanto de movimiento

 

Primero propuesto por Albert Einstein en 1907, los fonones son paquetes de energía vibratoria emitida por átomos nerviosos.

Estos paquetes indivisibles, o cuantos, de movimiento se manifiestan como sonido o calor, dependiendo de sus frecuencias.

Al igual que los fotones, que son los portadores cuánticos de la luz, los fonones se cuantifican, lo que significa que sus energías vibracionales están restringidas a valores discretos, de manera similar a cómo una escalera se compone de distintos pasos.

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

La energía de un sistema mecánico se puede representar como diferentes estados "Fock" (0, 1, 2, etc.) en función del número de fonones que genera.

Por ejemplo, un "estado 1 Fock" consiste en un fonón de una energía particular, un "estado 2 Fock" consiste en dos fonones con la misma energía, y así sucesivamente. Los estados de fonón más altos corresponden a sonidos más altos.

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, son muy pequeños.

"Un fonón corresponde a una energía diez billones de billones de veces más pequeña que la energía requerida para mantener encendida una bombilla durante un segundo", dijo el estudiante graduado Patricio Arrangoiz-Arriola, co-primer autor del estudio.

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

En un micrófono ordinario, las ondas de sonido 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 cambiarlo.

"Si intentas medir la cantidad de fonones con un micrófono normal, el acto de medición inyecta energía en el sistema que enmascara la energía que estás tratando de medir", dijo Safavi-Naeini.

En cambio, los físicos idearon una forma de medir los estados de Fock y, por lo tanto, el número de fonones, en ondas de sonido directamente.

"La mecánica cuántica nos dice que la posición y el impulso no se pueden conocer con precisión, pero no dice nada sobre la energía", dijo Safavi-Naeini. "La energía puede ser conocida con infinita precisión".

 

Qubits cantando

 

El micrófono cuántico que desarrolló el grupo consiste en una serie de resonadores nanomecánicos sobreenfriados, tan pequeños que son visibles solo 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 puede leerse electrónicamente. Cuando los resonadores mecánicos vibran como un 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 el medio de las estructuras", dijo Arrangoiz-Arriola.

Al igual que los presos ingobernables, los fonones atrapados sacuden las paredes de sus prisiones, y estos movimientos mecánicos se transmiten al qubit por medio de cables ultra delgados.

"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 un estudiante graduado en Stanford.

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

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

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

 

Mecánica cuántica mecánica

 

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 convertirse sin problemas entre señales ópticas y mecánicas.

Dichos dispositivos podrían ser 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 que son miles de veces más pequeñas que las partículas de luz.

“En este momento, las personas están usando fotones para codificar estos estados. Queremos usar fonones, lo que trae muchas ventajas ”, dijo Safavi-Naeini. "Nuestro dispositivo es un paso importante para hacer una computadora 'mecánica cuántica mecánica'".

 

 

 

 

 

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