Jaula de iones y computadoras cuánticas

 

CLAUDIA MAZZEO (ARGENTINA)

Entrevista a Juan Pablo Paz, doctor en Física e investigador en Física cuántica en la Universidad de Buenos Aires.


 

Cuando Planck presentó su teoría de los paquetes de energía, de los cuantos, parece que él mismo no creía eso. ¿Es así? Cuesta imaginarse a un científico como Planck en esa situación.

−Es interesante esa historia. Planck estaba tratando de entender las propiedades de la radiación del cuerpo negro, cómo la cantidad de energía que se emite de un cuerpo depende de la frecuencia, para una dada temperatura, cómo depende del color, cuánta energía se emite en cada frecuencia. Fue una cosa curiosa. Dijo: “Yo tengo la fórmula que le pega a todos los resultados y experimentos y además tengo una manera de deducirla a partir de una hipótesis descabellada”, y empezó a avanzar en esa dirección.

La primera vez que lo presentó fue casi como una curiosidad (porque) él no creía que esos paquetes de energía tuvieran una existencia real. Planck en esa época no creía siquiera en la existencia de los átomos.
Era muy conservador. Dijo que se sentía obligado a dar una explicación a su fórmula que era tan buena, y lo que hizo fue un acto de desesperación. Inventó una demostración que aceptaba una hipótesis muy rara (que era la existencia de los paquetes de energía y que permitía explicar un montón de otras cosas) y después se animó a investigar qué otras consecuencias podía traer esa hipótesis. Y ese acto de desesperación de Planck, fue lo que dio lugar al surgimiento de la Mecánica cuántica.

¿Por qué esa presentación de Planck que nace así, por ser demostrada, se la conoce como el origen de la Cuántica?

−Lo cuántico, tiene que ver con lo discreto. Descubrir que la energía no puede variar continuamente sino que solo puede variar en saltitos, de un tamaño dado, era algo que atentaba contra los principios de la Física clásica. Si eso era verdad, había que repensar todo. Y el trabajo de Planck fue el primero que le dio sentido a esa hipótesis.

En tu laboratorio trabajás en el desarrollo de computadoras cuánticas. ¿Qué vínculo hay entre esa tecnología y la constante de Planck?

−La computación cuántica está muy relacionada con la constante de Planck en el sentido más profundo, es decir que hay paquetes de energía y también paquetes de información. La información, de alguna manera viene en paquetes. Para almacenar y procesar información nosotros usamos bits cuánticos. Y los bits cuánticos son justamente eso. La computación cuántica está basada en la idea de almacenar información en el estado de objetos que son descriptos por la mecánica cuántica, que tienen propiedades discretas y finitas.

En cuanto a que la energía viene en paquetes, se puede aumentar la energía tanto como quieras agregando uno sobre otro, hasta construir una torre infinita. Entonces los valores posibles de la energía son infinitos, pero vienen como en escaloncitos. Con el tiempo se fue descubriendo que en la Física cuántica se comprueba esta propiedad de “granularidad” de la energía.

Luego se observaron propiedades de la materia que no solo tenían un carácter granular —venían en paquetes— sino que el número de resultados que podían obtenerse al medirlos no era infinito, sino que era finito. Un sistema sobre el cual una medición exhaustiva solo te da dos resultados, es el más cuántico de todos los sistemas físicos: el bit cuántico o qubit (por sus siglas del inglés, quantum bit).

Y hay cosas de la Naturaleza que se comportan de esa manera. El spin del electrón, que es como un imán que tienen las partículas elementales, es un ejemplo. La proyección del imancito en una dada dirección (la proyección sería como la sombra), cada vez que la medís, en una dirección cualquiera, te da dos valores posibles: más algo y menos algo. En esos dos resultados está presente la constante de Planck.

¿Hay ya computadoras cuánticas en uso en el mundo?

−Lo que existen son prototipos pequeños. Pero aún no hay ninguna computadora cuántica que sea útil para resolver un problema que no pueda ser resuelto con una computadora ordinaria.

¿Cómo va el proyecto de ustedes?

−Hace más de 20 años que vengo trabajando en el plano teórico de la computadora cuántica. Pero en 2015, a partir del regreso de unos de mis estudiantes de Alemania, donde realizó su post doctorado en técnicas que se usan en ese campo, comenzamos a armar un laboratorio de “iones y átomos fríos”. Trabajamos en “trampas de iones”, un tema que está muy de moda en el mundo y donde hubo muchísimos avances tecnológicos, con usos múltiples.

Hoy en día se pueden atrapar y manipular átomos de a uno a la vez, ubicándolos en lugares predeterminados del espacio. En realidad lo que se hace es manipular iones. Hay distintos tipos de trampas pero las más fáciles son así: tomás cuatro electrodos (conductores eléctricos, imaginátelos como cables) y los ponés derechitos, de dos en dos. A un par de ellos los conectás al mismo potencial, por ejemplo pueden estar cargados positivamente, y a los otros dos al opuesto, con cargas negativas. Un ion es un átomo al que vos le “arrancaste” un electrón (carga negativa) a través de diferentes mecanismos.

Ahora imaginate que viene un ion que está dando vueltas por ahí y cuando se acerca a esa zona, donde están los electrodos, va a sentir una fuerza que lo repele de los dos cables cargados positivamente, ya que el ion también está cargado positivamente porque es un átomo al que le arrancaste una carga negativa.

Pero si los otros dos electrodos están cargados negativamente, va a sentir una fuerza que lo atrae hacia arriba. En consecuencia, se va a enfrentar a dos fuerzas, una que lo empuja para un lado y otra que lo hace para el otro. Como tenemos dos cargas de diferente signo en los electrodos, lo que hacemos es alternar los potenciales, conectándolos a un variador de potencia. De modo que los que estaban en positivo pasan a estar negativos, y los que estaban negativos pasan a positivos, y así sucesivamente. Se genera una dirección inestable y otra estable, que van cambiando. Entonces, la carga que anda dando vueltas por ahí va a tender a quedarse atrapada sobre el eje de estos 4 electrodos. Colocás dos tapas metálicas cargadas positivamente y así evitas que se pueda ir. Lo que puede hacer un ion cargado, es quedarse alineado en el medio.

Una trampa de iones es eso, una cámara de vacío en donde no hay nada, salvo estos 4 cablecitos y los (cables) internos de control. Tirás átomos —mediante un spray—, los ionizás con un láser (les sacás un electrón) y quedan cargados. Espolvoreás de manera tal de garantizar que haya un cierto número de átomos dando vueltas por ahí. Los que caen cerca del medio se quedan ahí, atrapados.

Existen dispositivos para atrapar un ion único o muchos. El número de iones que es posible atrapar depende de cómo es la trampa. Y una vez atrapados, los podés ver. Los iluminás con luz y los iones absorben la luz, porque hacen una transición de un nivel electrónico a otro; están “cuantizados”, como lo dijo Planck. La energía del electrón en el átomo puede tomar valores discretos. Entonces los iluminás con luz, el ion absorbe luz, vuelve a emitirla y lo que ves es la luz emitida, su fluorescencia. No lo ves directo con los ojos porque en realidad están en la radiación infrarroja, pero sí los podés ver con cámaras especiales.

¿Podés cambiarles el orden, a estos átomos?

−Podés hacer casi cualquier cosa. Lo primero es enfriar los iones. Porque una vez que estos átomos quedaron atrapados ahí, no se pueden ir para ningún lado y se la pasan dando vueltas, tratando de escaparse. En las últimas décadas se desarrollaron técnicas de enfriamiento láser (iluminás a estos iones con una energía determinada). Recordemos que enfriar un objeto es quitarle energía al movimiento a sus partículas. Para lograr que ese ion se comporte como un objeto cuántico lo tenés que llevar a niveles de energía muy, muy bajos.

¿En qué etapa están de la construcción de la computadora cuántica?

−Con esta trampa o jaula de iones se ha logrado, en alrededor de 50 laboratorios de todo el mundo, atrapar entre 15 y 20 átomos a la vez, en la misma trampa. Lo que se hace es almacenar información en cada uno de esos átomos, dispuestos como en una especie de ábaco. Cada átomo es como una pelotita, ubicada en un lugar, y ahí almacenas información.

Entre 15 y 20 átomos a la vez, ¿es poco? ¿es mucho? ¿Cuántos se necesitan?

−En cualquier computadora o tu teléfono, la cantidad de información se mide en gigabits; un giga son mil millones. En un teléfono inteligente disponés de alrededor de 50 gigabits, es decir, que podés almacenar 50 mil millones de bits. Con esta tecnología podes poner un bit en cada átomo. Si tenés 15 átomos, son 15 bits. Pero resulta que una computadora hecha con bits cuánticos, con átomos, es intrínsecamente mucho más poderosa que una computadora ordinaria. Con 15 bits cuánticos podés hacer más que con 15 bits clásicos, pero ciertamente menos que con 50 gigabits.

¿A qué número aspiran llegar?

−Para resolver problemas matemáticos que no se pueden resolver en ninguna computadora de las que existen hoy necesitarías una decena de miles de bits cuánticos. Por eso hoy hablamos sólo de prototipos; tengo 15 y necesito 15 mil. Pero ahora hay nuevas ideas de cómo atrapar átomos, no sólo en una dirección sino en varias; de cómo escalar o aumentar estas computadoras.

Las trampas de iones ¿son el único camino para construir computadoras cuánticas?

−No. Hay otras que se basan en trabajar sobre un sustrato sólido, es decir, poner los bits cuánticos no en átomos individuales sino en pedacitos de material que se comportan como si fueran átomos artificiales, usando la tecnología de silicio que está desarrollada para la microelectrónica. Hay mucha esperanza en escalar esta tecnología, conocida como de los qubits superconductores. Grandes empresas están invirtiendo en esto cientos de millones de dólares. También hay sistemas híbridos, que usan ambas tecnologías.

¿Quiénes serían los usuarios potenciales?

−Las computadoras cuánticas se usarían para resolver problemas que no pueden solucionarse hoy en las computadoras ordinarias. Son planteos de la Física y de la Ingeniería, de las ciencias naturales: modelados de grandes moléculas, nuevos fármacos, estructuras químicas, cálculos de propiedades de nuevos materiales, aplicaciones ingenieriles.

Pero también, hay otra clase de problemas, los de la Matemática, que podrían ser resueltos en computadoras cuánticas, como la factorización de números enteros. Encontrar los factores primos de un número muy grande es un problema que tiene mucha utilidad para la Criptografía, porque se demostró que si te doy un número muy grande, con una computadora cuántica vas a poder descubrir cuáles son los factores primos que lo componen. Esto es fácil de resolver en una computadora cuántica, pero muy difícil de hacerlo en una común. Eso se emplea en Criptografía. Ahí los interesados son quienes trabajan en protección de datos; o, de la vereda de enfrente, los que buscan romper las claves de otros.

En tu libro “La física cuántica” (de editorial Siglo Veintiuno) vos decís que muchos físicos desearían que la Física cuántica se derrumbara y que incluso lo verían con alegría. ¿Es sólo una ironía?

−Creo que (derrumbarla) en verdad sería divertido. Sería una verdadera revolución científica. Y participar en ella, sería mucho más interesante que contribuir a la consolidación de una teoría que ya está establecida de antemano.

La cuántica es una teoría que parece superexitosa pero que te deja con un sabor extraño en la boca. Porque pareciera que hay cosas que todavía no entendemos. Por ejemplo, tenés que acostumbrarte a que la imagen del mundo que vos te hacés desde que nacés, no funciona igual en el mundo microscópico. Si te tiro un objeto, sé que sigue un camino, una trayectoria, una secuencia de puntos; pero en el mundo microscópico no podés pensar de esa manera.

Si tengo una fuente de electrones y un lugar donde son detectados, desde la fuente hasta el detector los electrones no siguen un camino. ¿Cómo funcionan? En realidad no son partículas, son ondas, son las dos cosas a la vez, lo que hace difícil armarse una imagen intuitiva de qué es. Uno lo que tiene que hacer es acostumbrarse a que las cosas no son compatibles con el sentido común, y aceptarlo. Lo mismo sucede con la idea de que las propiedades de los objetos no preexisten a tu observación, sino que el acto de observación es algo que afecta al objeto observado y da origen al resultado. O la rareza de los estados entrelazados de la materia, base de la teletransportación.

Pero te guste o no, te la tenés que comer, porque todos los resultados de los experimentos son predichos con una precisión asombrosa por la Física cuántica. Ahora, si en los experimentos empezaras a detectar violaciones a las predicciones de la Física cuántica, sería realmente interesante. Abriría la puerta a descubrir algo más fundamental, y creo que sí, que la enorme mayoría de los físicos estaríamos muy contentos.

¿Sería un poco lo que le pasó a Max Planck?

−Sí. Absolutamente.

Foto: Claudia Mazzeo.

 

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