Madrid. 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.

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, por sus siglas en inglés) exploran qué sucede cuando se intenta dividir una.

En dos experimentos, los primeros de su tipo, un equipo dirigido por 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. Los resultados se publican en la revista Science.

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, 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 de 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 para la luz y es utilizado para demostrar las capacidades cuánticas de los fotones). Todo el sistema, incluidos dos qubits (unidades básicas de información en la computación cuántica) 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.

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 (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, lo que produjo “una prueba estándar de oro de que el divisor de haz crea un estado entrelazado cuántico”, señaló Cleland en un comunicado.

Segundo experimento

En el segundo experimento, el equipo quería mostrar un efecto cuántico fundamental adicional que se había demostrado por primera vez con fotones en los años 80. Ahora conocido como el efecto Hong-Ou-Mandel, 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.

“Todos esos átomos tienen que comportarse de manera coherente para respaldar lo que la mecánica cuántica dice que deberían hacer”, detalló Cleland. “Es algo sorprendente. Los aspectos extraños de esa parte de la física no están limitados por el tamaño”.

El poder de las computadoras cuánticas radica en la “rareza” del reino 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”.

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”, sostuvo Cleland.