El primero que propuso las partículas del sonido fue Albert Einstein, en 1907, a las que se les denominó fonones, que son paquetes de energía vibracional que es emitida por nerviosos átomos.
Estos paquetes individuales se manifiestan como sonido o calor, dependiendo de las frecuencias de las que estemos hablando.
Al igual que los fotones, que son los que llevan la luz cuánticamente, los fonones están cuantizados, lo que significa que sus energías vibracionales se restringen a valores discretos, similares a los que se ven en una escalera, que se componen de distintos pasos.
«El sonido tiene su granularidad que normalmente no experimentamos», dijo Safavi-Naeini, profesor asistente de física aplicada en la escuela de humanidades y ciencias de Stanford.
«El sonido, a niveles cuánticos, cruje», indica.
La energía de un sistema mecánico puede representarse por diferentes estados: 0, 1, 2, etcétera, basándonos en el número de fonones que genera.
Por ejemplo, 1 estado fonón consiste en un fonón de una energía particular, un estado 2 fonón, consiste en dos fonones con la misma energía y así sucesivamenhte. Los estados más altos de fonones corresponden a sonidos más amplificados.
Hasta ahora, los científicos no habían podido medir los estados de los fonones en las estructuras ingenieriles de manera directa, porque la diferencia de energía entre estados -regresando a la analogía de la escalera- es demasiado pequeña.
«Un fonón corresponde a una energía que es diez trillones de veces más pequeña que la energía requerida para encender un foco por un segundo», indica Patricio Arrangoiz-Arriola, co-autor del estudio.
Capturando el sonido de los átomos
Para resolver este problema, el equipo de Stanford diseñó el micrófono más sensible del mundo, que explota los principios cuánticos en el susurro de los propios átomos. En un micrófono ordinario, los sonidos de entrada vibran en una membrana, la cual se desplaza y esto se convierte en un voltaje medible.
Este enfoque no sirve para medir fonones individuales porque -de acuerdo al principio de Heisenberg- la posición e un objeto cuántico no puede ser precisada sin que exista cambio en ésta.
«Si se quiere medir el número de fonones con un micrófono normal, el acto de medir inyecta energía al sistema y enmascara lo que precisamente se quiere medir», indica Safavi-Naemi.
Los físicos entonces encontraron una manera de medir los estados fonónicos, y por ende, el número de fonones, en las ondas directas de sonidos.
«La mecánica cuántica nos dice que la posición y el momentum no pueden ser conocidos de manera precisa simultánemanete, pero no dice esto para la energía», comenta Safavi-Naemi.
«La energía puede ser conocida con precisión infinita».
El micrófono cuántico desarrollado consiste en una serie de resonadores nanomecánicos súper enfriados, que son tan pequeños que sólo pueden ser vistos a través de un microscopio electrónico.
Los resonadores se acoplan a un circuito superconductor que contiene pares de electrones que se mueven sin resistencia.
El circuito forma un bit cuántico, un qubit, pues, en donde pueden existir dos estados al mismo tiempo a una frecuencia natural, el cual puede leerse electrónicamente.
Cuando los resonadores mecánicos vibran como tambores, generan fonones en diferentes estados.
El dispositivo, que se detalla en el número 24 de Nature, podría eventualmente llevar a computadoras cuánticas más eficientes que operarían manipulando sonido en lugar de luz.
«Esperamos que el dispositivo permita nuevos tipos de sensores cuánticos así como dispositivos de almacenamiento para las futuras máquinas cuánticas», comenta Safavi-Naemi
y concluye:
«Ahora mismo, las personas están usando fotones para codificar los estados cuánticos. Nosotros queremos usar fonones, que darían muchas más ventajas, como la de crear una computadora mecánica pero cuántica».
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