Expertos dan pasos notables hacia una nueva computadora cuántica

Un equipo de investigación de la Universidad de Chicago dio los primeros pasos críticos hacia la creación de un nuevo tipo de computadora cuántica, basada en la división de fonones. Los resultados de este estudio fueron publicados en la revista "Science".

Nota: Un fonón es una cuasipartícula o modo cuantizado vibratorio que se halla en redes cristalinas como la red atómica de un sólido.

Recreación artística de una plataforma para computación cuántica mecánica lineal. Fotografía de Peter Allen.

Veamos, al reproducirse una canción, lo que suena como una onda continua de música en realidad se transmite como pequeños paquetes de partículas cuánticas llamadas fonones.

Las "Leyes de la Mecánica Cuántica" sostienen que esas partículas son fundamentalmente indivisibles, pero los investigadores de la "Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular" (PME) exploran qué sucede cuando se intenta dividir una.

En dos experimentos, los primeros de su tipo, un equipo dirigido por el doctor en Física por la Universidad de California en Berkeley, Andrew Cleland utilizó un dispositivo llamado divisor de haz acústico para fraccionar fonones y demostrar así sus propiedades cuánticas.

Al demostrar que ese divisor se puede usar tanto, para inducir un estado de superposición cuántica especial para un fonón, como para crear una mayor interferencia entre dos de ellos, el equipo dio los primeros pasos críticos hacia la creación de un nuevo tipo de computadora cuántica. 

En los experimentos, los investigadores utilizaron fonones que tienen un tono casi un millón de veces más alto que el que puede escuchar el oído humano. Anteriormente, el doctor Cleland y su equipo descubrieron cómo crear y detectar fonones individuales y fueron los primeros en entrelazar dos de ellos.

A fin de mostrar las capacidades cuánticas de estos fonones, el equipo, incluido Hong Qiao, estudiante graduado del doctor Cleland, creó un divisor de haz que puede partir uno de sonido por la mitad, transmitiendo una y reflejando la otra hacia su fuente, ya existen similares para la luz y están siendo  utilizados para demostrar las capacidades cuánticas de los fotones. Todo el sistema, incluidos dos "qubits", que son las unidades básicas de información en la computación cuántica, utilizadas para generar y detectar fonones, funciona a temperaturas extremadamente bajas y usa de esas partículas de ondas acústicas superficiales individuales, que viajan sobre un material, en este caso "niobato de litio", una sal sintética que consta de niobio, litio y oxígeno. Sus monocristales son un material importante para guías de ondas ópticas, teléfonos móviles, sensores piezoeléctricos, moduladores ópticos y otras "aplicaciones ópticas lineales" y "no lineales".

Un Qubit o cúbit​​ en español, o bit cuántico es un sistema cuántico con dos estados propios y que puede ser manipulado arbitrariamente. Sólo puede ser descrito correctamente mediante la "Mecánica Cuántica", y solamente tiene dos estados bien distinguibles mediante medidas físicas.

Sin embargo, la "Física Cuántica" dice que un solo fonón es indivisible. Entonces, cuando el equipo envió uno al divisor de haz, en lugar de seccionarse entró en una superposición cuántica, un estado en el que el fonón se refleja y transmite al mismo tiempo. Observar, es decir, medir el "fonón" hace que este estado cuántico colapse en una de las dos salidas.

La "Superposición Cuántica" se transfiere del fonón a los dos qubits. Los investigadores la midieron, y fue señalado por el doctor Cleland en un comunicado: Que produjo una prueba estándar de oro de que el divisor de haz crea un estado entrelazado cuántico”.

Por otra parte, en el segundo experimento, dicho equipo quería mostrar un efecto cuántico fundamental adicional que se había demostrado por primera vez con fotones en los años ochentas del siglo Veinte.

El que ahora es conocido como el "Efecto Hong-Ou-Mandel", que dice: cuando dos fotones idénticos se envían desde direcciones opuestas a un divisor de haz al mismo tiempo, las salidas superpuestas interfieren para que ambos fotones siempre viajen juntos, en una u otra dirección de salida.

Es importante destacar que sucedió lo mismo cuando el equipo realizó el experimento con fonones: la salida superpuesta significa que sólo uno de los dos "qubits" detectores captura fonones, yendo en un sentido pero no en el otro. Aunque los "qubits" sólo tienen la capacidad de captar un solo fonón a la vez, no dos; el colocado en la dirección opuesta nunca “escucha” una partícula de esas, lo que demuestra que ambos fonones van en la misma dirección. Este fenómeno se denomina "interferencia de dos fonones".

Lograr que esas partículas entren en este estado cuántico entrelazado es un salto mucho mayor que hacerlo con fotones.

Los fonones utilizados aquí, aunque indivisibles, aún requieren billones de átomos trabajando juntos en forma de mecánica cuántica. Y si ésta gobierna la física sólo en el reino más pequeño, plantea preguntas sobre dónde termina y comienza la física clásica; esto prueba aún más esa transición.

Finalmente detalló el doctor Cleland: “Todos esos átomos tienen que comportarse de manera coherente para respaldar lo que la mecánica cuántica dice que deberían hacer. Es algo sorprendente. Los aspectos extraños de esa parte de la física no están limitados por el tamaño. Una computadora cuántica mecánica lineal, que usaría fonones en lugar de fotones, podría tener la capacidad de realizar nuevos tipos de cálculos. El resultado confirma que tenemos la tecnología que necesitamos para construir una”.

El poder de las computadoras cuánticas radica en la “rareza” del mundo cuántico. Al aprovechar los extraños poderes cuánticos de superposición y entrelazamiento, los investigadores esperan resolver problemas previamente intratables. Un enfoque para hacer esto es usar fotones, en lo que se llama una “computadora cuántica óptica lineal”.

Simulación de una red cristalina; Los átomos o moléculas se encuentran separados por resortes elásticos; éstos son el medio en el que se propagan los fonones. Fonones: Cuasipartículas de calor y sonido / CIENCIORAMA 3. Gerardo Martínez Avilés

Para entrar en detalles de esta "Teoría de la Acústica Cuántica", recomiendo la lectura íntegra del artículo de Gerardo Martínez Avilés, en "Fonones: Cuasipartículas de calor y sonido / CIENCIORAMA", aquí solamente describo una fracción, lo concerniente a los "fotones acústicos", pero el contenido original abarca "fotones ópticos", generados por el calor.

Históricamente, se considera que la teoría cuántica nace cuando el físico Max Planck (1858 - 1947), al tratar de explicar cómo radia un "Cuerpo Negro", introdujo el concepto de que la luz, hasta entonces considerada una onda, también podía ser vista como una partícula portadora de paquetes de energía: "el fotón". Algunos años más tarde, Louis de Broglie (1892 - 1987), propone la idea contraria: una partícula podemos asociarle (de acuerdo a su cantidad de movimiento, que es el producto de la masa de la partícula por la velocidad a la que se mueve) una longitud de onda y, por lo tanto, podemos asociarle propiedades ondulatorias. Por supuesto, hay que tener en mente que la dualidad "onda-partícula" sólo puede ser observada a niveles microscópicos y no en las grandes escalas donde aplica la física clásica.

Es muy conocido que el sonido es consecuencia que da la transmisión de ondas de presión en el material donde se propaga: ya sea un líquido o un sólido, el sonido puede describirse con la "Teoría ondulatoria". Pero, siguiendo la línea de pensamiento de la mecánica cuántica ¿Puede considerarse entonces que el sonido a niveles microscópicos también se comporte como una partícula? Al parecer, la naturaleza vuelve a sorprendernos: la respuesta es afirmativa y a dichas partículas se les conoce como "fonones."

Esta idea se le ocurrió en 1932 al físico ruso Igor Tamm (1895 - 1971), quien por cierto ganó el Premio Nobel de Física de 1958, pero no por el tema de los "fonones", él trató de describir la forma en que se excita un "arreglo periódico y elástico de átomos o moléculas", ya sea, en estado sólido o líquido. Para ello, tomó prestada la idea de De Broglie de interpretar el movimiento ondulatorio del arreglo como el desplazamiento de una partícula.

El nombre "fonón" viene del griego "phonos" que puede traducirse como “sonido” o quizás  “voz”. Se eligió el nombre "fonón", dado que las vibraciones periódicas de la materia con grandes longitudes de onda, esto es, fonones de gran longitud de onda, producen el sonido como lo conocemos.

Los fonones son la descripción de un tipo especial de vibración en el arreglo de algún material en el cual se propaga una perturbación.

Cuando un material vibra, la vibración puede ser descrita como la suma de ciertas vibraciones elementales, conocidas como modos normales de vibración.

Para modelar el comportamiento de los "fonones", los físicos suponen a los materiales como arreglos periódicos de átomos o moléculas. Los enlaces entre dichos átomos son considerados como resortes elásticos.

Los modos normales son las frecuencias en las que los resortes oscilan más cómodamente, dependiendo de la masa atada al resorte y de la elasticidad del mismo.

Cuando uno de los átomos es desplazado de su posición de equilibrio, es decir, cuando el resorte no está tenso, se desata una onda o un fonón, que se propaga por el material.

Los materiales están llenos de fonones de diferentes energías o frecuencias viajando caóticamente en todas direcciones.

Pero, a diferencia de los fotones, que usualmente no interactúan entre ellos cuando tienen distintas frecuencias, los fonones se superponen unos a otros creando patrones muy complejos que son muy difíciles de analizar.

Los cristales de hecho son muy parecidos a los arreglos de átomos y resortes que modelan los físicos, y es por eso que el comportamiento de los fonones es particularmente útil cuando se habla de las propiedades acústicas o térmicas de ellos.

Es fácil deducir que a una onda podemos asociarle una partícula, dado la dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica. Pero los fonones son más bien considerados cuasipartículas. La diferencia es fácil de entender; si bien una partícula, por ejemplo un electrón, puede existir por sí misma, una cuasipartícula no. Podemos tener electrones libres, pero los fonones solamente existen como una manifestación colectiva de la materia. Necesitan un medio que se excite para poder existir, justamente como el sonido, que no puede existir en el vacío, sino que necesita un medio donde propagarse. Así que cuando los físicos dicen: “un fonón se mueve”, debemos entender: “un arreglo de muchos átomos o moléculas está vibrando de una manera específica”.

Una nueva Computadora Cuántica, con el descubrimiento de un nuevo derrotero, se siguen sumando ideas y nuevas teorías se forman, con la ventaja de que hoy día se cuenta con la tecnología para comprobar lo que en décadas pasadas eran planteamientos teóricos. Debemos seguir atentos.