Noves normes, noves joguines

2024/10/23 Tobalina Novo, Ander - Gasteizko Ingenieritza Eskolako irakaslea, EHU Quantun Center-eko ikertzailea, Fisika teorikoan doktorea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Sariak
• Teknologia
• Fisika

Els éssers humans hem estat molt de temps al pati de la tecnologia. Sempre, la veritat. En l'època en què encara no existia cap Homo sapiens , existien homínids que treballaven eines de pedra tant per a la caça com per a la preparació d'aliments. Aquesta facultat, en efecte, constituïa el tret distintiu que distingia als primers membres del gènere homo dels seus predecessors. Avui, a pesar que és un concepte que associem amb el mòbil recentment llançat o amb alguna aplicació d'intel·ligència artificial, en realitat és tecnologia, coneixement. Un coneixement de les tècniques i destreses que al llarg dels segles ens han permès comprendre i dominar l'entorn. Nosaltres, l'ésser humà, la capacitat que ens defineix.

Des de les eines de pedra, hem estat molt atents a l'exploració del pati de la tecnologia. Hem recorregut un llarg camí des del control del foc a Internet, passant pel desenvolupament de l'agricultura, la invenció de la roda i la producció d'electricitat. L'últim pas en aquest camí ens obliga a explorar l'estrany comportament de la matèria en les escales més petites. Més de 2 milions d'anys en aquest pati, i encara trobem nous racons. A més, sembla que en aquest racó les coses es fan de manera diferent, que la seva posició està regulada per un conjunt de lleis diferents. És possible que aquestes noves lleis permetin desenvolupar noves joguines?

Noves normes: Mecànica quàntica

A principis del segle XX, arran d'uns resultats que resultaven incomprensibles en el saber de l'època, es van conèixer nous conceptes sobre el comportament fonamental de la matèria. El caràcter discret (no continu) de l'energia és un d'ells. En la nostra vida quotidiana veiem com l'energia s'intercanvia de manera contínua. Per exemple, si anem a la muntanya, en algun moment passarem per totes les altures que hi ha des del punt de partida fins al cim. A més, en frenar el cotxe, el cotxe aconsegueix totes les velocitats que van des del valor inicial fins al zero, totes elles. És a dir, obtenim o perdem energia (en un cas, cinètica en un altre) de manera contínua. En canvi, a escala atòmica, l'energia s'intercanvia en paquetitos, és a dir, canvia de salt. Com si es tractés d'un canvi de diners, on la quantitat més baixa que podem prendre o donar és la que estableix el valor de la moneda més petita, hi ha un valor mínim per a l'intercanvi d'energia: el quant.

El coneixement del caràcter discret de l'energia va desencadenar la primera revolució quàntica i va assegurar el desenvolupament de diverses tecnologies que donen forma al món actual, com el transistor. Per a molts aquest invent, el més important del segle XX, és la base de tots els aparells electrònics actualment omnipresents, i es fabriquen més d'un bilió d'exemplars cada segon en el món. Cada segon! No és poc! Els rellotges atòmics també es van desenvolupar dins de la primera revolució quàntica. Aquests es basen en la diferència de dos nivells d'energia d'un àtom per a mesurar el temps, i el funcionament dels sistemes de comunicació actuals, a través d'Internet, depèn dels mesuraments precisos donats per aquest rellotge (veure figura 1).

Per tant, ja existeixen tecnologies basades en la mecànica quàntica entre nosaltres. En qualsevol cas, avui diem que ja està en marxa una segona revolució quàntica. Què és el que ha originat aquesta nova revolució? Doncs bé, el progrés en el camp de l'enginyeria ha permès controlar els sistemes quàntics individuals, la qual cosa al seu torn ha permès explotar nous fenòmens quàntics, especialment el dels superpoderes. En definitiva, la capacitat d'un sistema quàntic per a existir alhora en totes les situacions possibles. Així, en mesurar una propietat del sistema, podem obtenir qualsevol valor admès (la naturalesa discreta de l'energia exclou molts valors) amb la probabilitat corresponent a cadascun d'ells. La superposició permet, a més, una especial correlació entre sistemes, l'enredamiento quàntic, la correlació que es manté malgrat la distància dels sistemes. En l'article "Quan la ficció es converteix en realitat" de Gorka Azkune trobareu una explicació magnífica sobre aquests principis quàntics. 1].

Joguines noves: Ordinador quàntic

Amb aquestes noves regles a la mà, estem desitjant començar a jugar, però per on començar? Al pati de la tecnologia hi ha una característica comuna de les joguines més preuades: tenen un dispositiu electrònic que processa la informació, és a dir, un ordinador. Si fos possible millorar aquestes màquines mitjançant l'ús de sistemes quàntics, serien un bon punt de partida.

Un ordinador, bàsicament, pren informació i realitza operacions lògiques amb ella per a resoldre el problema de què es tracti. El nombre d'operacions a realitzar, cada vegada major, requerirà un temps cada vegada major perquè l'ordinador resolgui el problema. Sabem que el temps de resolució d'alguns problemes, fins i tot en els ordinadors més poderosos del món, és superior a l'edat de l'univers. Un exemple típic d'aquesta mena de problemes és la factorització de nombres enters. En qualsevol cas, en un treball publicat en 1997, Peter Shore va demostrar que un ordinador que explota el quàntic de les sobrecàrregues pot resoldre la factorització dels números en poc temps. Tenint en compte que aquest problema és la base de la majoria dels sistemes d'encriptació del món, no és d'estranyar el rebombori que ha provocat aquest treball. Es va posar de manifest que l'ordinador quàntic permetia resoldre aquells problemes que fins llavors es consideraven impossibles.

Des de llavors, de la mà de les empreses i governs més poderosos del món, hem conegut la carrera tecnològica per a aconseguir l'ordinador quàntic, plagada de notícies de tota mena [3] i de derrotes de gran magnitud [4] (per a aprofundir en aquest tema podeu dirigir-vos a l'article escrit per Iñigo Arrazola [5]). No obstant això, han passat més de 25 anys, i no hi ha ordinadors quàntics a les nostres cases. Per què no? La raó principal és la gran sensibilitat dels sistemes quàntics. La influència de l'entorn en els sistemes quàntics destrueix la superposició. Per tant, l'explotació d'aquesta propietat implica el manteniment de sistemes completament aïllats de l'entorn durant llargs períodes de temps, suposant un repte tècnic important. Per tant, el processament de la informació requereix un control exhaustiu de l'estat d'aquests sistemes. El maneig d'un únic sistema no és difícil (almenys en els laboratoris especialitzats), però la resolució de problemes reals requereix un nombre considerable de sistemes d'interacció, la qual cosa dificulta enormement el control de les situacions. Pel que sembla, la superació total d'aquestes dificultats es duu a terme mancant diversos anys. Mentrestant, hi ha ordinadors quàntics senzills que són útils en alguns sectors, però sembla que no hi haurà joguines que generin una autèntica revolució a curt termini.

Jugant amb sentit comú: Sensors quàntics

Però no ens desanimem. De fet, la mateixa característica que impedeix el desenvolupament dels ordinadors quàntics, la sensibilitat a l'entorn, facilita la consecució d'una altra mena de joguina. Els sensors [6] són dispositius que podem trobar en qualsevol lloc, ja que mesurar amb precisió les propietats físiques és fonamental en molts aspectes de la nostra societat. La medicina és un clar exemple d'això, en el qual l'obtenció d'informació precisa sobre el funcionament del cos pot portar-nos al diagnòstic i al tractament adequat.

La ressonància magnètica nuclear és un dels procediments més utilitzats per a accedir a aquesta informació. Els àtoms del nostre cos (sobretot els d'hidrogen presents en les molècules d'aigua), a causa dels camps magnètics i a la resposta davant les ones de ràdio, emeten un senyal magnètic que permet determinar la posició dels àtoms emissors i així construir la imatge interna del cos. Estructures variades (articulacions, òrgans, etc.) és un procediment preferit per al seu estudi i, en general, una prova diagnòstica de gran èxit. No obstant això, aquest procediment de millora té molt a millorar.

La sensibilitat dels sensors que utilitzen les màquines de ressonància de l'hospital és baixa, és a dir, difícilment detecten senyals magnètics febles, com les que emet el nostre cos. Això implica la necessitat de crear camps magnètics molt alts (el senyal generat és proporcional al camp), la qual cosa incrementa la complexitat tècnica i el preu de les màquines. En conseqüència, es tracta d'un procediment ocasional, avui, la ressonància magnètica, que es realitza quan ja altres proves apunten a un problema i que sol tenir llargues llistes d'espera. Hi haurà alguna joguina que pugui alleujar aquesta situació en aquest singular racó del pati? Perquè, si hi ha, a més està fet de diamants.

El diamant és una xarxa d'àtoms de carboni en la qual poden aparèixer errors, per exemple, un nitrogen en lloc d'un carboni i un buit en un lloc lateral. Aquesta estructura, coneguda com el centre NV (Nitrogen-Vacancy en anglès), és una plataforma perfecta per al desenvolupament de la tecnologia quàntica [7], fàcil de controlar, barata i amb temperatura ambient. A més respon a canvis en algunes propietats físiques, incloent-hi el camp magnètic, per la qual cosa és ideal per a operacions de sensor (veure figura 2). És més, els centres NV són extremadament sensibles, ja que també perceben les variacions més insignificants del camp magnètic. Els assajos realitzats en el context de la ressonància magnètica amb aquesta mena de sistemes han donat resultats sorprenents: s'ha detectat un senyal magnètic emès per una sola molècula, [8] i s'han obtingut imatges de ressonància de resolució monocel·lular, entre altres [9]. A més, ja existeixen organitzacions que han desenvolupat productes basats en els experiments esmentats, que han trencat el camí que la ressonància magnètica sigui un procediment habitual als hospitals de demà (veure figura 3).

El mesurament dels senyals de ressonància magnètica no és més que un exemple de la capacitat transformadora dels sensors quàntics; evidentment, significatiu, però, en definitiva, un exemple. En la mateixa línia podríem omplir altres infinitat de pàgines, una amb aplicacions tan destacades com l'altra. No obstant això, aquest tipus de joguines solen atreure poca atenció, encara que són els dispositius quàntics més pròxims a les necessitats de la societat. És el moment, per tant, de treure els sensors quàntics de l'ombra de les tecnologies més fascinants i de rebre l'atenció que mereixen.

Bibliografia

[1] Azkune Galparsoro, G. 2014. “Quan la ficció es converteix en realitat”. Revista Elhuyar, 308.

[2] W. Shor, P. 1997. “Polynomial-Time Algorithms for Prevalgui Factorization and Discrete Logarithms on a Quàntum Computer”. SIAM Journal on Computing, 26, 5.

[3] Arute, F. et al. 2019. “Quàntum supremacy using a programmable superconducting processor”. Nature, 574, 505-510.

Pednault, E.; Maslov, D.; Gunnels, J. i Gambetta, J. 2019 “On ‘quàntum supremacy’. Blog IBM.

[5] Arrázola Maiztegi, I. 2020. “Google i domini quàntic”. Revista Elhuyar, 340.

[6] Degen, C. L.; Reinhard, F. i Cappellaro, P. 2017. “Quàntum sensing”. Rev. Mod. Phys! 89.

[7] Doherty, M.W. et al. 2013. “The nitrogen-vacancy colour centri in diamond”. Reports, 528, 1, 1-45.

[8] Lovchinsky, I. et al 2016. “Nuclear magnetic resonance detection and spectroscopy of single proteins using quàntum logic”. Science 351, 6275, 836-841.

[9] Glenn, D.R. 2015. “Single-cell magnetic imaging a quàntum diamond microscope”. Nature Methods, 12, 736-738.