Novas normas, novos xoguetes

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

• Sariak
• Teknologia
• Fisika

Os seres humanos habemos estado moito tempo no patio da tecnoloxía. Sempre, a verdade. Na época en que aínda non existía ningún Homo sapiens, existían homínidos que traballaban ferramentas de pedra tanto para a caza como para a preparación de alimentos. Esta facultade, en efecto, constituía o trazo distintivo que distinguía aos primeiros membros do xénero homo dos seus predecesores. Hoxe, a pesar de que é un concepto que asociamos co móbil recentemente lanzado ou con algunha aplicación de intelixencia artificial, en realidade é tecnoloxía, coñecemento. Un coñecemento das técnicas e destrezas que ao longo dos séculos permitíronnos comprender e dominar a contorna. Nós, o ser humano, a capacidade que nos define.

Desde as ferramentas de pedra, estivemos moi atentos á exploración do patio da tecnoloxía. Percorremos un longo camiño desde o control do lume a Internet, pasando polo desenvolvemento da agricultura, a invención da roda e a produción de electricidade. O último paso neste camiño obríganos a explorar o estraño comportamento da materia nas escalas máis pequenas. Máis de 2 millóns de anos neste patio, e aínda atopamos novos recunchos. Ademais, parece que neste recuncho as cousas fanse de maneira diferente, que a súa posición está regulada por un conxunto de leis diferentes. É posible que estas novas leis permitan desenvolver novos xoguetes?

Novas normas: Mecánica cuántica

A principios do século XX, por mor duns resultados que resultaban incomprensibles no saber da época, coñecéronse novos conceptos sobre o comportamento fundamental da materia. O carácter discreto (non continuo) da enerxía é un deles. Na nosa vida cotiá vemos como a enerxía se intercambia de forma continua. Por exemplo, si imos á montaña, nalgún momento pasaremos por todas as alturas que hai desde o punto de partida até a cima. Ademais, ao frear o coche, o coche alcanza todas as velocidades que van desde o valor inicial até o cero, todas elas. É dicir, obtemos ou perdemos enerxía (nun caso, cinética noutro) de forma continua. En cambio, a escala atómica, a enerxía intercámbiase en paquetitos, é dicir, cambia de salto. Coma se tratásese dun cambio de diñeiro, onde a cantidade máis baixa que podemos tomar ou dar é a que establece o valor da moeda máis pequena, hai un valor mínimo para o intercambio de enerxía: o canto.

O coñecemento do carácter discreto da enerxía desencadeou a primeira revolución cuántica e asegurou o desenvolvemento de diversas tecnoloxías que dan forma ao mundo actual, como o transistor. Para moitos este invento, o máis importante do século XX, é a base de todos os aparellos electrónicos actualmente omnipresentes, e fabrícanse máis dun billón de exemplares cada segundo no mundo. Cada segundo! Non é pouco! Os reloxos atómicos tamén se desenvolveron dentro da primeira revolución cuántica. Estes baséanse na diferenza de dous niveis de enerxía dun átomo para medir o tempo, e o funcionamento dos sistemas de comunicación actuais, a través de Internet, depende das medicións precisas dadas por este reloxo (ver figura 1).

Por tanto, xa existen tecnoloxías baseadas na mecánica cuántica entre nós. En calquera caso, hoxe dicimos que xa está en marcha unha segunda revolución cuántica. Que é o que orixinou esta nova revolución? Pois ben, o progreso no campo da enxeñaría permitiu controlar os sistemas cuánticos individuais, o que á súa vez permitiu explotar novos fenómenos cuánticos, especialmente o dos superpoderes. En definitiva, a capacidade dun sistema cuántico para existir á vez en todas as situacións posibles. Así, ao medir unha propiedade do sistema, podemos obter calquera valor admitido (a natureza discreta da enerxía exclúe moitos valores) coa probabilidade correspondente a cada un deles. A superposición permite, ademais, unha especial correlación entre sistemas, o enredamiento cuántico, a correlación que se mantén a pesar da distancia dos sistemas. No artigo "Cando a ficción se converte en realidade" de Gorka Azkune atoparedes unha explicación magnífica sobre estes principios cuánticos. 1].

Xoguetes novos: Computador cuántico

Con estas novas regras na man, estamos a desexar empezar a xogar, pero por onde empezar? No patio da tecnoloxía hai unha característica común dos xoguetes máis prezados: teñen un dispositivo electrónico que procesa a información, é dicir, un computador. Si fose posible mellorar estas máquinas mediante o uso de sistemas cuánticos, serían un bo punto de partida.

Un computador, basicamente, toma información e realiza operacións lóxicas con ela para resolver o problema de que se trate. O número de operacións a realizar, cada vez maior, vai requirir un tempo cada vez maior para que o computador resolva o problema. Sabemos que o tempo de resolución dalgúns problemas, mesmo nos computadores máis poderosos do mundo, é superior á idade do universo. Un exemplo típico deste tipo de problemas é a factorización de números enteiros. En calquera caso, nun traballo publicado en 1997, Peter Shore demostrou que un computador que explota o cuántico das sobrecargas pode resolver a factorización dos números en pouco tempo. Tendo en conta que este problema é a base da maioría dos sistemas de encriptación do mundo, non é de estrañar o alboroto que provocou este traballo. Púxose de manifesto que o computador cuántico permitía resolver aqueles problemas que até entón se consideraban imposibles.

Desde entón, da man das empresas e gobernos máis poderosos do mundo, coñecemos a carreira tecnolóxica para conseguir o computador cuántico, infestada de noticias de todo tipo [3] e de derrotas de gran magnitude [4] (para profundar neste tema podedes dirixirvos ao artigo escrito por Iñigo Arrazola [5]). Con todo, pasaron máis de 25 anos, e non hai computadores cuánticos nas nosas casas. Por que non? A razón principal é a gran sensibilidade dos sistemas cuánticos. A influencia da contorna nos sistemas cuánticos destrúe a superposición. Por tanto, a explotación desta propiedade implica o mantemento de sistemas completamente illados da contorna durante longos períodos de tempo, supondo un reto técnico importante. Por tanto, o procesamiento da información require un control exhaustivo do estado destes sistemas. O manexo dun único sistema non é difícil (polo menos nos laboratorios especializados), pero a resolución de problemas reais require un número considerable de sistemas de interacción, o que dificulta enormemente o control das situacións. Ao parecer, a superación total destas dificultades leva a cabo a falta de varios anos. Mentres tanto, hai computadores cuánticos sinxelos que son útiles nalgúns sectores, pero parece que non haberá xoguetes que xeren unha auténtica revolución a curto prazo.

Xogando con sentido común: Sensores cuánticos

Pero non nos desanimemos. De feito, a mesma característica que impide o desenvolvemento dos computadores cuánticos, a sensibilidade á contorna, facilita a consecución doutro tipo de xoguete. Os sensores [6] son dispositivos que podemos atopar en calquera lugar, xa que medir con precisión as propiedades físicas é fundamental en moitos aspectos da nosa sociedade. O medicamento é un claro exemplo diso, no que a obtención de información precisa sobre o funcionamento do corpo pode levarnos ao diagnóstico e ao tratamento axeitado.

A resonancia magnética nuclear é un dos procedementos máis utilizados para acceder a esta información. Os átomos do noso corpo (sobre todo os de hidróxeno presentes nas moléculas de auga), debido aos campos magnéticos e á resposta ante as ondas de radio, emiten un sinal magnético que permite determinar a posición dos átomos emisores e así construír a imaxe interna do corpo. Estruturas variadas (articulacións, órganos, etc.) é un procedemento preferido para o seu estudo e, en xeral, unha proba diagnóstica de gran éxito. Con todo, este procedemento de mellora ten moito que mellorar.

A sensibilidade dos sensores que utilizan as máquinas de resonancia do hospital é baixa, é dicir, dificilmente detectan sinais magnéticos débiles, como as que emite o noso corpo. Isto implica a necesidade de crear campos magnéticos moi altos (o sinal xerado é proporcional ao campo), o que incrementa a complexidade técnica e o prezo das máquinas. En consecuencia, trátase dun procedemento ocasional, hoxe, a resonancia magnética, que se realiza cando xa outras probas apuntan a un problema e que adoita ter longas listas de espera. Haberá algún xoguete que poida aliviar esta situación neste singular recuncho do patio? Pois, si hai, ademais está feito de diamantes.

O diamante é unha rede de átomos de carbono na que poden aparecer erros, por exemplo, un nitróxeno en lugar dun carbono e un baleiro nun lugar lateral. Esta estrutura, coñecida como o centro NV (Nitrogen-Vacancy en inglés), é unha plataforma perfecta para o desenvolvemento da tecnoloxía cuántica [7], fácil de controlar, barata e con temperatura ambiente. Ademais responde a cambios nalgunhas propiedades físicas, incluíndo o campo magnético, polo que é ideal para operacións de sensor (ver figura 2). É máis, os centros NV son extremadamente sensibles, xa que tamén perciben as variacións máis insignificantes do campo magnético. Os ensaios realizados no contexto da resonancia magnética con este tipo de sistemas deron resultados sorprendentes: detectouse un sinal magnético emitida por unha soa molécula, [8] e obtivéronse imaxes de resonancia de resolución monocelular, entre outras [9]. Ademais, xa existen organizacións que desenvolveron produtos baseados nos experimentos mencionados, que romperon o camiño de que a resonancia magnética sexa un procedemento habitual nos hospitais de mañá (ver figura 3).

A medición dos sinais de resonancia magnética non é máis que un exemplo da capacidade transformadora dos sensores cuánticos; evidentemente, significativo, pero, en definitiva, un exemplo. Na mesma liña poderiamos encher outra infinidade de páxinas, unha con aplicacións tan destacadas como a outra. Con todo, este tipo de xoguetes adoitan atraer pouca atención, aínda que son os dispositivos cuánticos máis próximos ás necesidades da sociedade. É o momento, por tanto, de sacar os sensores cuánticos da sombra das tecnoloxías máis fascinantes e de recibir a atención que merecen.

Bibliografía

[1] Azkune Galparsoro, G. 2014. “Cando a ficción se converte en realidade”. 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 ao. 2019. “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”. Nature, 574, 505-510.

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

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

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

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

[8] Lovchinsky, I. et ao 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.