El mundo que estudian los físicos cuánticos con un ojo entrenado es el mismo mundo en el que navegamos todos los días los no científicos. La única diferencia es que se ha ampliado a escalas incomprensiblemente pequeñas y grandes.

Aún así, la física cuántica sigue siendo en gran medida un tema turbio, incluso para lectores científicamente astutos. News@Northeastern habló con Gregory Fiete, profesor de física en Northeastern, sobre algunas de las amplias aplicaciones de la investigación cuántica, desde el desarrollo de fuentes de energía renovable y la construcción de computadoras más poderosas, hasta el avance de la búsqueda de la humanidad para descubrir vida más allá del sistema solar. Los comentarios de Fiete se han editado por razones de brevedad y claridad.

Para empezar, demos a nuestra audiencia una idea de la naturaleza de su trabajo, observando el mundo de lo infinitesimalmente pequeño. ¿Cuáles son algunos conceptos erróneos sobre el trabajo que realizan los físicos cuánticos como usted y por qué es importante?

Mencionaste la cuántica y el mundo de lo pequeño. Eso es lo que la mayoría de la gente piensa cuando piensa en la mecánica cuántica y la forma en que se desarrollaron algunos de los primeros fundamentos de la teoría cuántica, que consideraban el átomo de hidrógeno y cómo tiene niveles discretos de energía, que se pueden observar experimentalmente mirando los espectros. o cómo absorbe y emite luz, por ejemplo.

[El átomo de hidrógeno] absorbe y emite a frecuencias particulares, y ahora entendemos que se debe a la naturaleza cuántica del átomo:cómo solo hay órbitas específicas permitidas de un electrón alrededor del núcleo. Entonces, tendemos a pensar en la mecánica cuántica en términos de este ejemplo temprano muy importante de un átomo de hidrógeno y, por lo tanto, estamos predispuestos a pensar que la cuántica se trata de lo pequeño. Pero, de hecho, no se trata en absoluto de lo pequeño.

Tome el sol, por ejemplo. El sol es muy grande, es el objeto más grande de nuestro sistema solar; nuestros planetas giran a su alrededor en órbitas debido a su atracción gravitacional.

La forma en que funciona el sol es que quema hidrógeno. Su atracción gravitacional es tan grande que está combinando hidrógeno en helio y luego helio en otros elementos. Está fusionando átomos y ese proceso de fusión es un fenómeno cuántico, y está detrás de uno de los grandes desafíos energéticos que se están realizando aquí en la Tierra, conocido como fusión sostenida. Eso es simplemente tomar hidrógeno y combinarlo en helio; si podemos hacer eso en la Tierra dentro de un confinamiento magnético, entonces tendremos una fuente de energía limpia y renovable.

Esencialmente, hay cantidades ilimitadas de hidrógeno que se pueden combinar, y el helio no es radiactivo. Entonces, podríamos producir mucha energía a partir de cosas que son más o menos infinitamente abundantes sin producir desechos en forma de material radiactivo. Este es un sueño por el que los físicos están trabajando. Entonces, algunas de las cosas más grandes del universo son ciertamente mecánicas cuánticas, incluidos los agujeros negros supermasivos que pueden perder energía a través de un fenómeno cuántico conocido como radiación de Hawking.

El segundo punto es que a menudo se piensa que la cuántica trata con temperaturas muy bajas. Nuevamente, para tomar nuestro sol como ejemplo, hace mucho calor, pero eso es mecánica cuántica. La baja temperatura no sirve como requisito para la cuántica. Este ejemplo de una estrella y la cuántica del proceso de fusión y las altas temperaturas asociadas con eso, solo quiero ampliar la visión de lo que es la mecánica cuántica y cuán omnipresente es.

Cuando escribimos sobre el trabajo que usted y sus colegas están haciendo, siempre hay aplicaciones del mundo real. ¿Puede hablar sobre algunas de las formas en que los físicos cuánticos están impulsando los avances tecnológicos más allá de su campo?

Mencionaré algunas de mis tecnologías favoritas. Una de las cosas que realmente me emociona de la física cuántica es su uso para lo que yo considero "medicina forense" o ciencia forense cuántica, por así decirlo.

Debido a que cosas como los átomos tienen niveles de energía discretos asociados con ellos, resulta que eso puede usarse para identificar átomos. Si compara los niveles de energía permitidos para el hidrógeno y los niveles de energía permitidos para el helio o cualquier otro elemento, son diferentes. Si tuvieras un gas de cualquier cosa, entonces podrías determinar qué átomos hay en el gas observando cómo absorbe y emite luz. Esto tiene un gran valor práctico si está interesado en algo lejano, como un planeta que gira alrededor de una estrella que no es la nuestra.

Hay un campo fantástico de exoplanetas que estamos descubriendo usando telescopios poderosos, detectando estos planetas moviéndose entre las estrellas y nuestra Tierra. Nuestros telescopios, algunos de ellos están en el espacio conectados a satélites con una increíble resolución de frecuencia y sensibilidad, son tan poderosos que podemos observar la delgada capa de la atmósfera alrededor de estos planetas y cómo la luz de la estrella pasa a través de ella. Luego usamos la técnica de la espectroscopia y vemos cómo la luz de la estrella de atrás está siendo absorbida por la atmósfera de este planeta, que podría estar a miles de años luz de distancia. Entonces podemos detectar qué átomos hay en la atmósfera.

Eso es bastante interesante. Pero va más allá. También podemos detectar qué moléculas hay allí. Por ejemplo, ¿hay dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno? En otras palabras, ¿hay agua en la atmósfera? Las moléculas tienen su propia firma espectroscópica. Entonces, podemos detectar si hay agua en la atmósfera de algunos de estos planetas, y eso es realmente emocionante.

Sin embargo, podemos dar un paso más. Cuando hay temperaturas involucradas, estas líneas espectrales, como se les llama, estas frecuencias específicas se amplían. Hay una especie de rango de frecuencias donde ves la absorción y la emisión. Y la cantidad que se amplía te informa sobre la temperatura de una molécula, en otras palabras, la temperatura de la atmósfera de estos planetas.

Es bastante sorprendente que podamos determinar qué hay en las atmósferas de estos planetas, planetas que sería imposible que los humanos visiten alguna vez. Eso, y podemos buscar firmas de vida, como si hay moléculas que asociamos con la vida flotando en estos planetas, al menos si es vida similar a la Tierra; entonces podríamos ser capaces de determinar con cierta probabilidad que algún planeta allá afuera que ningún ser humano podría visitar alberga vida. O tal vez podríamos descubrir otras formas de vida candidatas. Ese es un ejemplo bastante inspirador y, en última instancia, se basa en la física cuántica y la técnica de la espectroscopia.

Otro ejemplo que creo que también es de gran interés es que la física cuántica está produciendo fuentes de energía que están más allá del alcance de la energía solar. Entonces, cuando envía una sonda al espacio profundo para observar los planetas exteriores de nuestro sistema solar, digamos Plutón (técnicamente ya no se considera un planeta). Si quieres mirar a Plutón, envías una sonda al espacio profundo; lleva años llegar allí. Podría preguntarse, ¿qué tipo de fuente de energía puede tener para las computadoras en esta sonda para que pueda enviar las bellas imágenes que vemos? Bueno, puedes poner una batería ahí. Tomará años llegar allí, el espacio tiene mucha radiación y las baterías pueden dañarse; es posible que no funcionen correctamente cuando son lanzados a través de todas las variaciones de calor que salen de la atmósfera y el frío del espacio, etc. Eso no es muy práctico. No hay suficiente luz del sol que pueda recolectar con paneles solares para ejecutar los sistemas informáticos y enviar imágenes.

Entonces, ¿cómo alimentan las computadoras en estas sondas del espacio profundo? Lo que usan es radiación. Usan un material radiactivo, y la radiactividad es nuevamente otro proceso cuántico, donde los elementos pesados ​​se descomponen en elementos más livianos; cuando lo hacen, expulsan partes de su núcleo. Pero estas partes expulsadas del núcleo transportan energía que puede ser capturada.

Hay materiales, algunos de los cuales son muy parecidos a las cosas en las que trabajo, que se llaman materiales termoeléctricos. Toman regiones de alta temperatura y las vinculan con regiones de baja temperatura, convirtiendo esta diferencia de temperatura alta-baja en un voltaje, que luego actúa como una batería. Una vez que tiene un voltaje en un sistema eléctrico, ahora puede mover las corrientes y operar una computadora o circuitos eléctricos más o menos de la manera normal.

Es todo muy interesante. Parece que la física cuántica realmente es el trabajo fundamental que se dedica a transformar nuestra infraestructura energética, entre otras tecnologías. ¿Es esa la forma correcta de pensar en ello?

Sí, eso es correcto. Ese es un gran punto:pensar en el cambio climático y las energías renovables y también las tecnologías que no contaminan nuestro medio ambiente.

Si pensamos en la energía por un momento, como cuando discutimos el ejemplo de la fusión, que es una tecnología verde, suponiendo que podamos hacer que funcione. Si nos alejamos de la fusión, ahora mismo hay otras tecnologías que son ecológicas. Tome turbinas de viento. ¿Qué tienen que ver los aerogeneradores con la física cuántica? La forma en que funcionan las turbinas eólicas es que tienen un imán unido a las hélices cuando el viento las hace girar, y al girar un imán se genera una corriente eléctrica. Así es como generas electricidad:giras un imán dentro de una bobina de cables.

Pero la pregunta es:¿qué imán deberías usar? Así que aquí es donde entra la investigación fundamental, de hecho, la investigación en la que estoy involucrado hasta cierto punto en Northeastern:pensar en sistemas magnéticos que tendrían propiedades deseables para aplicaciones como turbinas eólicas.

Debe tener un imán muy robusto que necesite sobrevivir a altas temperaturas, es decir, muy por encima de la temperatura ambiente, porque puede calentarse allí arriba con el sol brillando sobre él. También debe tener propiedades que sean lo suficientemente robustas para sobrevivir a cualquier tensión y estrés mientras se retuerce en este sistema de turbina. Esos son los llamados imanes duros. Entonces, ¿cómo se desarrollan mejores imanes? Esa es una pregunta cuántica.

Como pensamiento final, me pregunto cuáles son sus grandes esperanzas para su investigación y para el campo. ¿Qué le gustaría que sucediera durante su vida? ¿Hay algún avance que estemos a punto de lograr?

Esa es una pregunta difícil que todos en el campo se hacen:¿cuáles son los avances de los que realmente estamos en la cúspide? Un ejemplo bien citado es la computación cuántica. Tener una computadora cuántica no va a resolver todos los problemas informáticos con los que cualquiera pueda soñar. Resulta que las computadoras cuánticas son particularmente hábiles en ciertas clases de problemas, donde pueden proporcionar lo que se llama una "ventaja cuántica". Hay algunos problemas específicos para los que las computadoras cuánticas son más útiles; pero otros problemas podrían resolverse mejor con supercomputadoras convencionales.

Entonces, una de las preguntas en el campo es tratar de proporcionar una resolución un poco más nítida sobre cuáles son los problemas específicos con los que nos ayudarán las computadoras cuánticas. Es un área en evolución, como cuál es el verdadero problema de nicho para una computadora cuántica. Creo que todos los que trabajamos en el campo sentimos que habrá algunas aplicaciones específicas, donde las computadoras cuánticas realmente superan a todo lo demás, y todos quieren participar en esto; todos, es decir, cada nación desarrollada. Todos quieren ser parte de esta próxima revolución cuántica, que no se trata solo de desarrollar la mecánica cuántica como una nueva ciencia, sino de hacer la transición de la mecánica cuántica a aplicaciones muy amplias. Y la informática es solo un área a la vanguardia. + Explora más

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