Electrones que giran hacia la derecha y hacia la izquierda al mismo tiempo. Partículas que cambian de estado juntas, aunque estén separadas por enormes distancias. Fenómenos intrigantes como estos son completamente comunes en el mundo de la física cuántica. Los investigadores del campus de TUM Garching los están utilizando para construir computadoras cuánticas, sensores de alta sensibilidad y la Internet del futuro.
"Enfriamos el chip a sólo unas pocas milésimas de grado por encima del cero absoluto, más frío que en el espacio exterior", dice Rudolf Gross, profesor de Física Técnica y director científico del Instituto Walther Meissner (WMI) en el campus de investigación de Garching. Está parado frente a un dispositivo de aspecto delicado con discos dorados conectados por cables:el sistema de refrigeración de un chip especial que utiliza las extrañas leyes de la física cuántica.
Desde hace unos veinte años, los investigadores del WMI trabajan en ordenadores cuánticos, una tecnología basada en una revolución científica que se produjo hace 100 años, cuando la física cuántica introdujo una nueva forma de ver la física. Hoy sirve como base para una "nueva era de la tecnología", como la llama el profesor Gross.
Para dar forma a esta era emergente, los investigadores de Garching están investigando formas de utilizar las reglas de la física cuántica, así como los riesgos asociados y los beneficios potenciales de la tecnología cuántica para la sociedad.
"Nos topamos con la física cuántica todos los días", afirma Gross. Por ejemplo, cuando vemos el elemento del quemador de una estufa brillando en rojo. En 1900 Max Planck encontró la fórmula de la radiación que emiten los cuerpos a diferentes temperaturas. Esto significó que tuvo que suponer que la luz emitida se compone de pequeñas porciones de energía, denominadas cuantos. La física cuántica continuó desarrollándose en los años siguientes, cambiando fundamentalmente nuestra comprensión del microcosmos. Las nuevas tecnologías aprovechan las propiedades especiales de los átomos y los electrones, por ejemplo, el láser, la tomografía por resonancia magnética y el chip de ordenador.
Las tecnologías de esta primera revolución cuántica controlan grandes cantidades de partículas. Mientras tanto, los físicos también pueden manipular átomos y fotones individuales y producir objetos que obedezcan las leyes de la física cuántica. "Hoy podemos crear sistemas cuánticos a medida", afirma Gross. Los principios de la física cuántica, para los que todavía apenas existen realizaciones tecnológicas, pueden utilizarse en la llamada segunda revolución cuántica.
El primero de estos principios es la superposición:un objeto cuántico puede asumir estados paralelos, que son mutuamente excluyentes en el marco de referencia clásico. Por ejemplo, un electrón puede girar hacia la derecha y hacia la izquierda al mismo tiempo. Los estados superpuestos también pueden interactuar entre sí, de forma similar a las ondas que se cruzan y que se refuerzan o se anulan entre sí:este es el segundo principio:la interferencia cuántica.
El tercer fenómeno es el entrelazamiento. Dos partículas pueden tener un estado cuántico conjunto, incluso si se encuentran a kilómetros de distancia una de otra. Por ejemplo, si medimos la polarización de un fotón determinado, el resultado de la medición para la pareja entrelazada se determina instantáneamente como si el espacio entre los dos fotones no existiera.
Por más exóticos que puedan parecer estos conceptos, son igualmente importantes para el progreso técnico. Las computadoras clásicas tienen un inconveniente:procesan la información de forma secuencial, paso a paso. "Ni siquiera los superordenadores, que crecen constantemente a mayor velocidad, podrán realizar todas las tareas", afirma Gross, ya que la complejidad de algunas tareas puede aumentar drásticamente.
Por ejemplo, el número de rutas de viaje posibles entre varias ciudades aumenta con cada posible parada. Hay seis rutas posibles entre cuatro ciudades, mientras que para 15 ciudades el número supera los 40 mil millones. Por lo tanto, la tarea de encontrar la ruta más corta rápidamente se vuelve abrumadoramente compleja, incluso irresoluble, utilizando computadoras clásicas en un período de tiempo viable.
El principio de superposición facilita mucho la tarea a la computadora cuántica:utiliza bits cuánticos, o qubits, que pueden procesar los valores de bit 0 y 1 simultáneamente en lugar de secuencialmente. Un gran número de qubits, unidos entre sí mediante interferencias o entrelazamientos cuánticos, pueden procesar en paralelo un número inconcebiblemente grande de combinaciones y, por tanto, resolver tareas muy complejas muy rápidamente.
Volviendo a WMI:aquí encontramos cámaras de vacío de plata en las que los átomos metálicos se depositan con precisión en obleas de silicio del tamaño de una mano. Las capas de metal de alta pureza que se forman en estas obleas forman la base de pequeños circuitos. Cuando el sobreenfriamiento hace que los circuitos sean superconductores, la electricidad que transportan oscila a varias frecuencias correspondientes a diferentes niveles de energía. Los dos niveles más bajos sirven como valores de qubit 0 y 1. El chip de uno de estos sistemas de refrigeración contiene seis qubits, suficiente para fines de investigación.
Sin embargo, los ordenadores cuánticos necesitan varios cientos de qubits para resolver problemas prácticos. Además, cada uno de los qubits debería poder realizar tantos pasos computacionales como sea posible para realizar algoritmos que sean relevantes a efectos prácticos. Pero los qubits pierden su superposición muy rápidamente, incluso después de la más mínima perturbación, como defectos materiales o electrosmog:"un problema enorme", dice Gross.
Luego se deben utilizar procedimientos de corrección complejos para corregir estos errores, pero estos procesos requerirán miles de qubits adicionales. Los expertos esperan que esto lleve muchos años. Sin embargo, las aplicaciones iniciales podrían ya ser funcionales cuando se reduzca, si no se elimine, el número de errores de qubit.
"Una fuente importante de errores es la interacción mutua no deseada entre qubits", afirma el Dr. Kirill Fedorov del WMI. Su remedio:distribuir qubits en varios chips y entrelazarlos entre sí. En el sótano del WMI, Fedorov señala un tubo del diámetro de la rama de un árbol que conecta un ordenador cuántico con el siguiente. Los tubos contienen conductores de microondas que ponen a los qubits en interacción mutua entre sí. Este enfoque podría hacer posible que miles de qubits funcionen juntos en el futuro.
Eva Weig, profesora de tecnología de sensores nano y cuánticos, tiene una perspectiva diferente sobre esta falta de perfección. "El hecho de que los estados cuánticos reaccionen con tanta sensibilidad a todo puede ser también una ventaja", afirma. Incluso los campos magnéticos más pequeños, las variaciones de presión o las fluctuaciones de temperatura pueden cambiar de manera mensurable un estado cuántico. "Esto puede hacer que los sensores sean más sensibles y precisos y capaces de ofrecer una mejor resolución espacial", afirma Weig.
Quiere utilizar objetos relativamente grandes como sensores cuánticos mecánicos. Incluso las nanoestructuras formadas por millones de átomos se pueden poner en su estado fundamental cuántico, como lo demostraron por primera vez investigadores de la Universidad de California en 2010. Eva Weig se basa en el hallazgo. "Quiero construir nanosistemas fácilmente controlables para poder medir las fuerzas más pequeñas."
En el laboratorio, la física presenta un chip que su equipo fabricó en su propia sala blanca. En ella se encuentran lo que ella llama "nano-guitarras", invisibles a simple vista:cuerdas diminutas, 1.000 veces más delgadas que un cabello humano, que vibran en radiofrecuencia. El equipo de Weig está intentando poner estos nanoosciladores en un estado cuántico definido. Entonces las cuerdas podrían usarse como sensores cuánticos, por ejemplo para medir las fuerzas existentes entre células individuales.
El profesor de redes cuánticas Andreas Reiserer quiere utilizar otro aspecto de los sistemas cuánticos para facilitar una Internet cuántica:el estado cuántico de una partícula se destruye al medirla, es decir, la información que contiene sólo se puede leer una vez. Por lo tanto, cualquier intento de interceptación inevitablemente dejaría huellas. Si no existen tales rastros, entonces se puede confiar en una comunicación. "La criptografía cuántica es rentable y hoy en día ya puede soportar comunicaciones a prueba de interceptaciones", afirma.
Pero el alcance de esta tecnología sigue siendo limitado. Según Reiserer, los elementos de fibra óptica son ideales para transportar información cuántica mediante luz. Pero el vidrio absorbe parte de la luz en cada kilómetro que recorre. Después de unos 100 kilómetros, la comunicación ya no es posible.
Por ello, el equipo de Reiserer investiga los llamados repetidores cuánticos, unidades de almacenamiento de información cuántica que se colocan a lo largo de la red de fibra óptica aproximadamente cada 100 kilómetros. Si es posible entrelazar cada uno de los repetidores cuánticos con su vecino inmediato, entonces la información enviada podrá transmitirse sin ninguna pérdida. "De esta manera esperamos poder recorrer distancias a escala global", afirma Reiserer. "Entonces sería posible conectar dispositivos de todo el mundo para formar una 'supercomputadora cuántica'".
El equipo de Múnich quiere miniaturizar los repetidores cuánticos, simplificarlos y hacerlos aptos para la producción en masa instalándolos en un chip de ordenador. El chip contiene una fibra óptica en la que se han incrustado átomos de erbio. Estos átomos sirven como qubits que pueden almacenar la información. Sin embargo, Reiserer admite que esto requiere un enfriamiento de tan sólo cuatro grados Kelvin (es decir, aproximadamente -269°C) y añade que será necesaria mucha más investigación antes de lograr la viabilidad práctica.
La llegada de las tecnologías cuánticas a la vida cotidiana también entraña algunos riesgos. Una computadora cuántica con corrección de errores podría descifrar los procedimientos de cifrado convencionales actuales y podría, por ejemplo, comprometer la seguridad de la banca en línea. "La buena noticia es que ya existen nuevos procedimientos de cifrado que son seguros contra ataques informáticos cuánticos", afirma Urs Gasser, profesor de Políticas Públicas, Gobernanza y Tecnología Innovadora y jefe del "Laboratorio Social Cuántico" de la TUM. Gasser, un experto en derecho, añade que la transición llevará varios años, por lo que es necesario empezar ahora.
"El coste de llegar demasiado tarde podría incluso superar el coste de llegar tarde en materia de Inteligencia Artificial", advierte Gasser. El Quantum Social Lab se centra en los impactos éticos, legales y sociales de las tecnologías cuánticas emergentes. Esto incluye, por ejemplo, la cuestión de cómo integrar a las personas en el debate sobre las nuevas tecnologías o si solo los países ricos deberían poder planificar mejor sus ciudades gracias a la optimización cuántica.
"La segunda revolución cuántica es un cambio de paradigma que tendrá un impacto social, político y económico de gran alcance", afirma el profesor Gasser. "Tenemos que dar forma a esta revolución en el mejor interés de la sociedad."
Proporcionado por la Universidad Técnica de Múnich
