Un chip siguió el salto de una vibración cuántica de un fonón a cero

La cuerda de una guitarra parece vibrar cada vez menos hasta quedar en silencio. En una estructura mecánica diminuta y extremadamente fría, la energía de la vibración puede presentarse en escalones. El menor de ellos se llama fonón: una unidad de energía de la vibración colectiva del material, no una onda sonora que viaja por el aire.

Takuma Makihara, Erik Szakiel y sus colegas, dirigidos por Amir H. Safavi-Naeini, de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, construyeron un dispositivo para observar esos escalones. En su artículo de Science acoplaron un resonador nanomecánico, una estructura que mantiene una vibración el tiempo suficiente para estudiarla, a un cúbit superconductor.

El cúbit funciona como detector: su señal cambia según la energía del resonador. Este acoplamiento dispersivo evita medir directamente la posición de la estructura, una medición que no distinguiría con claridad cada nivel de energía. El experimento comenzó con un estado preparado de un fonón.

Los investigadores comprobaron repetidamente la paridad mediante el cúbit: si el número de fonones era par o impar. La paridad por sí sola no revela el número exacto. La preparación inicial conocida, la secuencia de lecturas condicionadas y el modelo de análisis les permitieron inferir una trayectoria compatible con una transición de n=1, un fonón, a n=0, el estado fundamental.

Las trayectorias resultantes mostraron una transición brusca. El artículo de Science informa una fidelidad del 85 % para los estados preparados de un solo fonón, anunciados por una señal y seleccionados tras las lecturas condicionadas. Esta cifra indica cuánto se parece el estado seleccionado a uno de un fonón; no es la confianza de clasificación del detector ni la eficiencia de una computadora cuántica. En su crónica para la Universidad de Stanford, Sara Zaske señala una vida mecánica de unos 2 milisegundos, suficiente para cientos de lecturas.

El conjunto de datos depositado por Makihara y sus colegas en Zenodo contiene 8.447 trayectorias seleccionadas posteriormente, cada una con 294 comprobaciones de paridad. Este subconjunto no equivale al total bruto de intentos experimentales. El método pertenece a la familia de mediciones cuánticas no destructivas: lecturas diseñadas para preservar durante más tiempo la magnitud observada, aquí la energía vibratoria, sin implicar una perturbación nula.

Por ahora, el resultado es una demostración experimental. El dispositivo opera en un chip en un entorno criogénico, y los autores no han demostrado una memoria cuántica lista para usar ni corrección de errores. La evidencia respalda la observación de una transición discreta en este sistema; los sensores y sistemas que almacenen información en vibraciones mecánicas necesitarán más pruebas de temperatura, escala y control del ruido. La reportera Ramana Rech, de Folha de S.Paulo, citó a Pierre-Louis de Assis, de Unicamp, y a José Augusto Oliveira Huguenin, de UFF, sobre la viabilidad y los límites térmicos; esas opiniones no son una reproducción del experimento.