Estudian la forma de allanar el desarrollo de tecnologías cuánticas

La física cuántica es la física de las posibilidades y mundos paralelos, una manera de entender y describir el mundo. Su campo de actuación es el de las partículas elementales que se desenvuelven de manera misteriosa para la percepción ordinaria, ajenas a cómo son observados los objetos físicos en la vida cotidiana. Uno de los objetivos de esta disciplina es utilizar a los átomos para guardar información y realizar cómputos cuánticos con ellos. Esto permite el surgimiento de nuevas tecnologías cuánticas que prometen muchas aplicaciones útiles, como sensores a escalas moleculares y nanométricas, que podrían revolucionar la medicina e introducir nuevas computadoras mucho más pequeñas y poderosas que las actuales.

Aunque se está logrando cada vez mayor control de los átomos, aún sigue siendo un gran desafío controlarlos de manera eficiente en su entorno natural. En este sentido, un equipo de especialistas del CONICET en el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN, CONICET-CNEA) y del Instituto Balseiro estudian una posible alternativa para superar el desafío. Los responsables de la propuesta son los/as investigadores/as Analía Zwick y Gonzalo Álvarez, y el becario doctoral Martín Kuffer.

“Hoy estamos pudiendo controlar sistemas cuánticos muy pequeños, incluso individuales. Estos sistemas son muy frágiles a su entorno, y la información cuántica que contienen se pierde. A esas escalas tan chiquitas, sus entornos están naturalmente fuera de equilibrio, es decir están fluctuando permanentemente. Las herramientas que tenemos al día de hoy, no estaban pensadas para trabajar a escalas tan chiquitas, y por lo tanto no están completamente desarrolladas para poder proteger los sistemas cuánticos y manipularlos. Nuestro trabajo da una solución a ese problema con la introducción de herramientas teórico-conceptuales para caracterizar y controlar la influencia de los entornos fuera de equilibrio”, explica Alvarez.

El mundo de los átomos está regido por las leyes de la física cuántica. En esas escalas tan pequeñas hay vibraciones y fluctuaciones permanentes que hacen que los entornos de los átomos sean caóticos, o, como se dice, estén “fuera de equilibrio”. Estos entornos hacen que los efectos cuánticos no sean observables, lo que se llama decoherencia, un problema muy significativo para poder desarrollar las tecnologías cuánticas.

Estos entornos provocan perturbaciones perjudiciales en los sistemas cuánticos que se quieren utilizar para desarrollar nuevas aplicaciones. El trabajo desarrollado en el INN dio un paso hacia la solución de este problema mediante la introducción de un marco teórico para caracterizar y controlar la influencia de los entornos fuera de equilibrio y, por lo tanto, allana el camino hacia las tecnologías cuánticas.

El avance realizado consistió en encontrar una manera de trazar una analogía entre los entornos que están fuera de equilibrio y los entornos en equilibrio termodinámico. Esto es importante, porque permite utilizar todas las herramientas desarrolladas para lidiar con entornos en equilibrio, en los entornos naturales fuera de equilibrio. Así, los datos obtenidos proporcionan resultados muy importantes para implementar tecnologías cuánticas que van desde el almacenamiento de memorias o el procesamiento de información en una computadora cuántica, hasta sensores cuánticos de moléculas complejas como proteínas o activación de neuronas en el cerebro, brindando aplicaciones potenciales en biología y medicina.

“La posible aplicación más directa es implementar estas herramientas para poder proteger la información cuántica que almacenan los sistemas cuánticos y extraer información del entorno que los rodea para usarlos como sensores a esas escalas tan chiquitas. La información cuántica, es algo similar a la información que almacenamos en las computadoras hoy en día, pero ahora estamos buscando almacenarla en átomos para poder hacer cómputos más rápidos. A nosotros nos interesa mucho aprovechar esa información que contienen los átomos para procesarla, y hacer mejores sensores. Por ejemplo, se están desarrollando sensores cuánticos dentro de nanopartículas que logran observar las células por dentro, y así quizás en el futuro poder comprender cómo se originan las enfermedades. También se está intentando poder ver proteínas a esas escalas, ya que son muy importantes para todos los procesos biológicos que ocurren en nuestro cuerpo. Creemos que estas herramientas nos pueden ayudar a usar los átomos propios de nuestro cuerpo como sensores cuánticos que, con técnicas de imágenes por resonancia, nos permitan sacar información valiosa a escala microscópica de forma no invasiva”, explica Zwick.

Los especialistas coinciden en señalar que hay mucho trabajo experimental en camino que irá revelando la información necesaria para continuar con estos avances. El estudio de la pérdida de coherencia de sistemas cuánticos de muchos cuerpos, que se utilizan como modelo de memoria cuántica, contribuiría al desarrollo de computadoras cuánticas. Hay muchos profesionales trabajando en estos temas, y no es raro pensar que el desarrollo de la computación cuántica cambie la vida a todos tanto como lo hizo el invento de las computadoras clásicas en su momento.

“Por diversos motivos hace tiempo que nos estábamos enfrentando a los límites de las herramientas actuales al encontrarnos que los sistemas cuánticos a esas escalas tan chiquitas están fuera de equilibrio. Así propusimos una práctica de laboratorio avanzado en el Instituto Balseiro para evaluar cómo usar sensores cuánticos de esos entornos que están fuera de equilibrio. Nos encontramos con sorpresas que no pudimos explicar. En esa práctica se unió Martin. Luego él aprendió herramientas teóricas en una materia de su carrera y nos propuso que quizás podíamos utilizarlas para intentar entender lo que hacíamos en los experimentos. Así comenzamos un camino muy largo, ya que al principio estábamos muy lejos de explicar los experimentos. Con mucho trabajo, durante más de un año, con muchas idas y vueltas, preguntas y búsquedas para entender cómo resolverlo, llegamos a una solución.”, concluye Álvarez

Este trabajo fue desarrollado en el Laboratorio de Espectroscopia e Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear del Departamento de Física Médica del CAB, que también forma parte del ía INN, de CNEA y CONICET.