Nuevas normas, nuevos juguetes

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

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Los seres humanos hemos estado mucho tiempo en el patio de la tecnología. Siempre, la verdad. En la época en que aún no existía ningún Homo sapiens, existían homínidos que trabajaban herramientas de piedra tanto para la caza como para la preparación de alimentos. Esta facultad, en efecto, constituía el rasgo distintivo que distinguía a los primeros miembros del género homo de sus predecesores. Hoy, a pesar de que es un concepto que asociamos con el móvil recién lanzado o con alguna aplicación de inteligencia artificial, en realidad es tecnología, conocimiento. Un conocimiento de las técnicas y destrezas que a lo largo de los siglos nos han permitido comprender y dominar el entorno. Nosotros, el ser humano, la capacidad que nos define.

Desde las herramientas de piedra, hemos estado muy atentos a la exploración del patio de la tecnología. Hemos recorrido un largo camino desde el control del fuego a Internet, pasando por el desarrollo de la agricultura, la invención de la rueda y la producción de electricidad. El último paso en este camino nos obliga a explorar el extraño comportamiento de la materia en las escalas más pequeñas. Más de 2 millones de años en este patio, y todavía encontramos nuevos rincones. Además, parece que en este rincón las cosas se hacen de manera diferente, que su posición está regulada por un conjunto de leyes diferentes. ¿Es posible que estas nuevas leyes permitan desarrollar nuevos juguetes?

Nuevas normas: Mecánica cuántica

A principios del siglo XX, a raíz de unos resultados que resultaban incomprensibles en el saber de la época, se conocieron nuevos conceptos sobre el comportamiento fundamental de la materia. El carácter discreto (no continuo) de la energía es uno de ellos. En nuestra vida cotidiana vemos cómo la energía se intercambia de forma continua. Por ejemplo, si vamos a la montaña, en algún momento pasaremos por todas las alturas que hay desde el punto de partida hasta la cima. Además, al frenar el coche, el coche alcanza todas las velocidades que van desde el valor inicial hasta el cero, todas ellas. Es decir, obtenemos o perdemos energía (en un caso, cinética en otro) de forma continua. En cambio, a escala atómica, la energía se intercambia en paquetitos, es decir, cambia de salto. Como si se tratara de un cambio de dinero, donde la cantidad más baja que podemos tomar o dar es la que establece el valor de la moneda más pequeña, hay un valor mínimo para el intercambio de energía: el cuanto.

El conocimiento del carácter discreto de la energía desencadenó la primera revolución cuántica y aseguró el desarrollo de diversas tecnologías que dan forma al mundo actual, como el transistor. Para muchos este invento, el más importante del siglo XX, es la base de todos los aparatos electrónicos actualmente omnipresentes, y se fabrican más de un billón de ejemplares cada segundo en el mundo. ¡Cada segundo! ¡No es poco! Los relojes atómicos también se desarrollaron dentro de la primera revolución cuántica. Estos se basan en la diferencia de dos niveles de energía de un átomo para medir el tiempo, y el funcionamiento de los sistemas de comunicación actuales, a través de Internet, depende de las mediciones precisas dadas por este reloj (ver figura 1).

Por lo tanto, ya existen tecnologías basadas en la mecánica cuántica entre nosotros. En cualquier caso, hoy decimos que ya está en marcha una segunda revolución cuántica. ¿Qué es lo que ha originado esta nueva revolución? Pues bien, el progreso en el campo de la ingeniería ha permitido controlar los sistemas cuánticos individuales, lo que a su vez ha permitido explotar nuevos fenómenos cuánticos, especialmente el de los superpoderes. En definitiva, la capacidad de un sistema cuántico para existir a la vez en todas las situaciones posibles. Así, al medir una propiedad del sistema, podemos obtener cualquier valor admitido (la naturaleza discreta de la energía excluye muchos valores) con la probabilidad correspondiente a cada uno de ellos. La superposición permite, además, una especial correlación entre sistemas, el enredamiento cuántico, la correlación que se mantiene a pesar de la distancia de los sistemas. En el artículo "Cuando la ficción se convierte en realidad" de Gorka Azkune encontraréis una explicación magnífica sobre estos principios cuánticos. 1].

Juguetes nuevos: Ordenador cuántico

Con estas nuevas reglas en la mano, estamos deseando empezar a jugar, pero ¿por dónde empezar? En el patio de la tecnología hay una característica común de los juguetes más preciados: tienen un dispositivo electrónico que procesa la información, es decir, un ordenador. Si fuera posible mejorar estas máquinas mediante el uso de sistemas cuánticos, serían un buen punto de partida.

Un ordenador, básicamente, toma información y realiza operaciones lógicas con ella para resolver el problema de que se trate. El número de operaciones a realizar, cada vez mayor, va a requerir un tiempo cada vez mayor para que el ordenador resuelva el problema. Sabemos que el tiempo de resolución de algunos problemas, incluso en los ordenadores más poderosos del mundo, es superior a la edad del universo. Un ejemplo típico de este tipo de problemas es la factorización de números enteros. En cualquier caso, en un trabajo publicado en 1997, Peter Shore demostró que un ordenador que explota el cuántico de las sobrecargas puede resolver la factorización de los números en poco tiempo. Teniendo en cuenta que este problema es la base de la mayoría de los sistemas de encriptación del mundo, no es de extrañar el alboroto que ha provocado este trabajo. Se puso de manifiesto que el ordenador cuántico permitía resolver aquellos problemas que hasta entonces se consideraban imposibles.

Desde entonces, de la mano de las empresas y gobiernos más poderosos del mundo, hemos conocido la carrera tecnológica para conseguir el ordenador cuántico, plagada de noticias de todo tipo [3] y de derrotas de gran magnitud [4] (para profundizar en este tema podéis dirigiros al artículo escrito por Iñigo Arrazola [5]). Sin embargo, han pasado más de 25 años, y no hay ordenadores cuánticos en nuestras casas. ¿Por qué no? La razón principal es la gran sensibilidad de los sistemas cuánticos. La influencia del entorno en los sistemas cuánticos destruye la superposición. Por tanto, la explotación de esta propiedad implica el mantenimiento de sistemas completamente aislados del entorno durante largos periodos de tiempo, suponiendo un reto técnico importante. Por lo tanto, el procesamiento de la información requiere un control exhaustivo del estado de estos sistemas. El manejo de un único sistema no es difícil (al menos en los laboratorios especializados), pero la resolución de problemas reales requiere un número considerable de sistemas de interacción, lo que dificulta enormemente el control de las situaciones. Al parecer, la superación total de estas dificultades se lleva a cabo a falta de varios años. Mientras tanto, hay ordenadores cuánticos sencillos que son útiles en algunos sectores, pero parece que no habrá juguetes que generen una auténtica revolución a corto plazo.

Jugando con sentido común: Sensores cuánticos

Pero no nos desanimemos. De hecho, la misma característica que impide el desarrollo de los ordenadores cuánticos, la sensibilidad al entorno, facilita la consecución de otro tipo de juguete. Los sensores [6] son dispositivos que podemos encontrar en cualquier lugar, ya que medir con precisión las propiedades físicas es fundamental en muchos aspectos de nuestra sociedad. La medicina es un claro ejemplo de ello, en el que la obtención de información precisa sobre el funcionamiento del cuerpo puede llevarnos al diagnóstico y al tratamiento adecuado.

La resonancia magnética nuclear es uno de los procedimientos más utilizados para acceder a esta información. Los átomos de nuestro cuerpo (sobre todo los de hidrógeno presentes en las moléculas de agua), debido a los campos magnéticos y a la respuesta ante las ondas de radio, emiten una señal magnética que permite determinar la posición de los átomos emisores y así construir la imagen interna del cuerpo. Estructuras variadas (articulaciones, órganos, etc.) es un procedimiento preferido para su estudio y, en general, una prueba diagnóstica de gran éxito. Sin embargo, este procedimiento de mejora tiene mucho que mejorar.

La sensibilidad de los sensores que utilizan las máquinas de resonancia del hospital es baja, es decir, difícilmente detectan señales magnéticas débiles, como las que emite nuestro cuerpo. Esto implica la necesidad de crear campos magnéticos muy altos (la señal generada es proporcional al campo), lo que incrementa la complejidad técnica y el precio de las máquinas. En consecuencia, se trata de un procedimiento ocasional, hoy, la resonancia magnética, que se realiza cuando ya otras pruebas apuntan a un problema y que suele tener largas listas de espera. ¿Habrá algún juguete que pueda aliviar esta situación en este singular rincón del patio? Pues, si hay, además está hecho de diamantes.

El diamante es una red de átomos de carbono en la que pueden aparecer errores, por ejemplo, un nitrógeno en lugar de un carbono y un vacío en un lugar lateral. Esta estructura, conocida como el centro NV (Nitrogen-Vacancy en inglés), es una plataforma perfecta para el desarrollo de la tecnología cuántica [7], fácil de controlar, barata y con temperatura ambiente. Además responde a cambios en algunas propiedades físicas, incluyendo el campo magnético, por lo que es ideal para operaciones de sensor (ver figura 2). Es más, los centros NV son extremadamente sensibles, ya que también perciben las variaciones más insignificantes del campo magnético. Los ensayos realizados en el contexto de la resonancia magnética con este tipo de sistemas han dado resultados sorprendentes: se ha detectado una señal magnética emitida por una sola molécula, [8] y se han obtenido imágenes de resonancia de resolución monocelular, entre otras [9]. Además, ya existen organizaciones que han desarrollado productos basados en los experimentos mencionados, que han roto el camino de que la resonancia magnética sea un procedimiento habitual en los hospitales de mañana (ver figura 3).

La medición de las señales de resonancia magnética no es más que un ejemplo de la capacidad transformadora de los sensores cuánticos; evidentemente, significativo, pero, en definitiva, un ejemplo. En la misma línea podríamos llenar otras infinidad de páginas, una con aplicaciones tan destacadas como la otra. Sin embargo, este tipo de juguetes suelen atraer poca atención, aunque son los dispositivos cuánticos más cercanos a las necesidades de la sociedad. Es el momento, por tanto, de sacar los sensores cuánticos de la sombra de las tecnologías más fascinantes y de recibir la atención que merecen.

Bibliografía

[1] Azkune Galparsoro, G. 2014. “Cuando la ficción se convierte en realidad”. Revista Elhuyar, 308.

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

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

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

[5] Arrázola Maiztegi, I. 2020. “Google y dominio cuántico”. Revista Elhuyar, 340.

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

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

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

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