Cómo dividir el sonido podría conducir a un nuevo tipo de computadora cuántica

Cuando enciendes una lámpara para iluminar una habitación, experimentas energía luminosa transmitida en forma de fotones, que son paquetes de energía cuánticos pequeños y discretos. Estos fotones deben obedecer las leyes, a veces extrañas, de la mecánica cuántica, que, por ejemplo, dictan que los fotones son indivisibles, pero al mismo tiempo permiten que un fotón esté en dos lugares a la vez.

Al igual que los fotones que forman los haces de luz, las partículas cuánticas indivisibles llamadas fonones forman un haz de sonido. Estas partículas surgen del movimiento colectivo de billones de átomos, de la misma manera que una “onda de estadio” en un estadio deportivo se debe al movimiento de miles de fanáticos individuales. Cuando escuchas una canción, escuchas una corriente de estas partículas cuánticas muy pequeñas.

Concebidos originalmente para explicar las capacidades caloríficas de los sólidos, se predice que los fonones obedecerán las mismas reglas de la mecánica cuántica que los fotones. Sin embargo, la tecnología para generar y detectar fonones individuales se ha quedado atrás con respecto a la de los fotones.

Esa tecnología recién ahora está siendo desarrollada, en parte por mi grupo de investigación en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago. Estamos explorando las propiedades cuánticas fundamentales del sonido dividiendo los fonones por la mitad y entrelazándolos.

La investigación fundamental de mi grupo sobre fonones podría algún día permitir a los investigadores construir un nuevo tipo de computadora cuántica, llamada computadora cuántica mecánica.

Para explorar las propiedades cuánticas de los fonones, nuestro equipo utiliza espejos acústicos, que pueden dirigir haces de sonido. Sin embargo, nuestros últimos experimentos, publicados en un número reciente de Science, involucran espejos "malos", llamados divisores de haz, que reflejan aproximadamente la mitad del sonido enviado hacia ellos y dejan pasar la otra mitad. Nuestro equipo decidió explorar qué sucede cuando dirigimos un fonón a un divisor de haz.

Como un fonón es indivisible; no se puede dividir. En cambio, después de interactuar con el divisor de haz, el fonón termina en lo que se llama un "estado de superposición". En este estado, paradójicamente, el fonón se refleja y se transmite al mismo tiempo, y es igualmente probable detectar el fonón en cualquiera de los dos estados. Si intervienes y detectas el fonón, la mitad del tiempo medirás que fue reflejado y la mitad del tiempo que fue transmitido; en cierto sentido, el detector selecciona el estado al azar. En ausencia del proceso de detección, el fonón permanecerá en el estado de superposición de transmisión y reflexión.

Este efecto de superposición se observó hace muchos años con fotones. Nuestros resultados indican que los fonones tienen la misma propiedad.

Después de demostrar que los fonones pueden formar superposiciones cuánticas tal como lo hacen los fotones, mi equipo planteó una pregunta más compleja. Queríamos saber qué pasaría si enviáramos dos fonones idénticos al divisor de haz, uno desde cada dirección.

Resulta que cada fonón entrará en un estado de superposición similar de mitad transmitido y mitad reflejado. Pero debido a la física del divisor de haz, si cronometramos los fonones con precisión, interferirán mecánicamente entre sí. Lo que surge es en realidad un estado de superposición de dos fonones que van en una dirección y dos fonones que van en la otra; por lo tanto, los dos fonones están entrelazados mecánicamente cuánticamente.

En el entrelazamiento cuántico, cada fonón está en una superposición de reflejado y transmitido, pero los dos fonones están unidos. Esto significa que detectar un fonón como transmitido o reflejado obliga al otro fonón a estar en el mismo estado.

Entonces, si detectas, siempre detectarás dos fonones, en un sentido u otro, nunca un fonón en cada sentido. Este mismo efecto de la luz, la combinación de superposición e interferencia de dos fotones, se llama efecto Hong-Ou-Mandel, en honor a los tres físicos que lo predijeron y observaron por primera vez en 1987. Ahora, mi grupo ha demostrado este efecto con el sonido.

Estos resultados sugieren que ahora puede ser posible construir una computadora cuántica mecánica utilizando fonones. Se están realizando esfuerzos continuos para construir computadoras cuánticas ópticas que solo requieran la emisión, detección e interferencia de fotones individuales. Estos van en paralelo con los esfuerzos para construir computadoras cuánticas eléctricas, que mediante el uso de grandes cantidades de partículas entrelazadas prometen una aceleración exponencial para ciertos problemas, como factorizar grandes números o simular sistemas cuánticos.

Una computadora cuántica que utilice fonones podría ser muy compacta y autónoma, construida enteramente sobre un chip similar al del procesador de una computadora portátil. Su pequeño tamaño podría facilitar su implementación y uso, si los investigadores pueden ampliar y mejorar aún más las tecnologías basadas en fonones.

Los experimentos de mi grupo con fonones utilizan qubits (la misma tecnología que alimenta las computadoras cuánticas electrónicas), lo que significa que a medida que la tecnología de los fonones se ponga al día, existe la posibilidad de integrar computadoras basadas en fonones con computadoras cuánticas electrónicas. Hacerlo podría generar capacidades computacionales nuevas y potencialmente únicas.

Andrew N. Cleland, Profesor de Innovación y Empresa en Ingeniería Molecular, Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago

Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.