Al igual que los fotones que forman los haces de luz, las partículas cuánticas indivisibles llamadas fonones forman un haz de sonido. Estas partículas emergen del movimiento colectivo de cuatrillones de átomos: al escuchar una canción, un flujo de estas partículas cuánticas muy pequeñas es el que se hace notar. Se prevé que los fonones obedezcan las mismas reglas de la mecánica cuántica que los fotones, pero la tecnología para generarlos y detectarlos ha quedado algo rezagada. Ahora, una nueva línea de investigación está explorando la potencialidad de los fonones y las ondas sonoras para desarrollar una nueva variedad de ordenadores cuánticos.
Un grupo de investigadores de la Universidad de Chicago, en Estados Unidos, está estudiando en profundidad como la división del sonido a un nivel cuántico podría conducir a un nuevo tipo de ordenadores cuánticos, con características diferentes a aquellos que se están desarrollando a partir de los haces de luz y las partículas elementales que los componen, los fotones. El equipo de especialistas, dirigido por Andrew Cleland, ha publicado recientemente un nuevo estudio en la revista Science.
Ordenadores cuánticos en base a ondas sonoras
De acuerdo a un artículo firmado por el propio Cleland en The Conversation, los investigadores buscan descubrir todos los secretos de los fonones, las partículas cuánticas que componen las ondas sonoras. Creen que, algún día, podrán permitir construir un nuevo tipo de ordenador cuántico, en un camino alternativo al que sigue la computación cuántica basada en fotones, que son las partículas elementales de la luz.
Cleland explica que los fonones surgen de la “danza” que bailan una enorme cantidad de átomos cuando se expresa una onda sonora: de esta forma, cuando un violinista ejecuta una melodía la interacción de estas partículas cuánticas es la que, en el nivel más ínfimo de la materia, termina produciendo el sonido. Sin embargo, no sabíamos hasta hace muy poco que estas ondas sonoras y su expresión cuántica podían tener aplicaciones en el campo de la informática.
Otros estudios científicos publicados también durante este año indican que las vibraciones del sonido permitirían codificar y procesar información de la misma manera que lo hacen las computadoras cuánticas tradicionales o basadas en fotones. Lo logran imitando el comportamiento de los cúbits, la unidad básica de información en este tipo de tecnología. En este caso, el sistema se plantea como un complemento a los ordenadores cuánticos ya conocidos, logrando imitar las propiedades ondulatorias de los objetos cuánticos con las ondas de sonido.
Superposición cuántica en fonones
Ahora, el proyecto de Cleland y su equipo se plantea un horizonte algo más ambicioso, con la idea de desarrollar una nueva generación de ordenadores cuánticos basados en ondas sonoras. “Un ordenador cuántico que use fonones podría ser muy compacto y autónomo, construido completamente en un chip similar al del procesador de un ordenador portátil. Su pequeño tamaño podría facilitar su implementación y uso”, indica Cleland en The Conversation.
Pero para obtener avances técnicos concretos es imprescindible resolver previamente enigmas ocultos en la investigación básica. La conclusión más importante del equipo liderado por Cleland en este aspecto es que los fonones pueden alcanzar el mismo estado de superposición cuántica que se ha comprobado en los fotones.
En consecuencia, al aplicar divisores de haz en forma de espejo a los fonones, los mismos se “dividen” y entran en el mismo estado de superposición comprobado en el caso de las partículas elementales de la luz. Esto significa que, mientras exista un observador, pueden mantenerse simultáneamente en dos estados y posiciones diferentes. Esta característica es la que precisamente “marca la diferencia” entre las tecnologías convencionales y las tecnologías cuánticas, al permitir un salto adelante en la potencia de cálculo y la capacidad de procesamiento de información.
Los experimentos de los científicos a cargo del nuevo estudio con fonones se desarrollan también mediante cúbits, la misma tecnología que impulsa los ordenadores cuánticos electrónicos, lo que significa que a medida que la tecnología de los fonones se actualice existe la posibilidad de integrar computadoras mecánicas basadas en fonones con ordenadores cuánticos electrónicos. Si esto se logra, podría generar nuevas habilidades informáticas potencialmente únicas y abrir una nueva era en este campo tecnológico.
Referencia
Splitting phonons: Building a platform for linear mechanical quantum computing. H. Qiao, Andrew N. Cleland et al. Science (2023). DOI:https://doi.org/10.1126/science.adg8715