futuro

Sábado, 12 de enero de 2013

FISICA CUANTICA: EL PROBLEMA DE LA MEDICION

Tomografía de procesos cuánticos

O cómo verificar que una supercomputadora de partículas elementales funciona correctamente. Aquí, una entrevista a Christian Schmiegelow, del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA y la División Optica Cuántica del Departamento de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones del Citedef, y ganador del premio J. J. Giambiagi 2012.

 Por Rodolfo Petriz

En su última entrega, el Premio Nobel de Física fue otorgado a Serge Haroche y David Wineland por sus investigaciones en el campo de la óptica cuántica. Ambos lograron dominar técnicas que permiten controlar la interacción de un fotón con un átomo. Gracias a ello, sentaron las bases para el desa-rrollo de sistemas que utilizan procesos cuánticos para transmitir información, como la computación o la criptografía cuántica.

Dentro de un mismo clima de época, y anticipándose a la Real Academia Sueca de Ciencias en la elección del área de investigaciones a premiar, la Asociación Física Argentina otorgó a mediados de año el premio J. J. Giambiagi 2012 a la mejor Tesis de Doctorado en Física Experimental del país defendida en el bienio 2010-2012 al doctor Christian Schmiegelow, autor de “Experimentos Fotónicos de Tomografía Selectiva y Eficiente de Procesos Cuánticos”.

“El tema de esta tesis no pertenece estrictamente a la misma área de investigaciones de los premiados con el Nobel, pero le pega en el palo”, grafica futbolísticamente Schmiegelow.

El trabajo fue desarrollado en el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA y en la División Optica Cuántica del Departamento de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones del Citedef, bajo la dirección del doctor Juan Pablo Paz (UBA) y del doctor Miguel Larotonda (Citedef).

–¿Qué es la tomografía selectiva y eficiente de procesos cuánticos?

–Un proceso cuántico describe cómo cambia un sistema formado por objetos de la naturaleza para los cuales es necesaria la física cuántica para describir su comportamiento. En estos sistemas, los fotones, los electrones o los átomos que los componen cambian y evolucionan en el tiempo, ya sea interactuando entre ellos o con el ambiente. La tomografía de procesos cuánticos busca conocer qué es lo que está pasando en sistemas de este tipo.

–¿Para qué?

–Los cambios en estos procesos pueden ser controlados. Esa es la base de la criptografía o de la computación cuántica, ya que las partículas elementales pueden usarse como una máquina de calcular o para guardar información en ellas. Pero también pueden producirse interacciones no deseadas con el medio ambiente que perturben el proceso. En este sentido, la técnica que desarrollamos durante esta tesis es útil para medir y verificar que una computadora cuántica esté funcionando bien, o en su defecto, para saber cuál fue el motivo que hizo que funcionara mal.

–Cuando observamos un sistema cuántico, necesariamente lo modificamos. ¿Cómo consigue este método “mirar” el proceso sin perturbarlo?

–Como en todo sistema que transmite o modifica datos, en un proceso cuántico hay una información que es procesada. Este método requiere preparar inteligentemente el estado de entrada inicial de esos datos y luego mirar, también en base a un escenario previamente preparado, el estado de salida. Así podemos determinar qué fue lo que pasó dentro de esa “caja negra” que es el canal por el cual se transmite la información, sin necesidad de interactuar con él.

–¿Cómo se transporta la información en estos sistemas?

–Manipulando partículas elementales. Para nuestro experimento generamos un fotón en una determinada polarización, que es el modo en que oscila su campo eléctrico: horizontal o vertical, diagonal o antidiagonal, circular derecho o circular izquierdo. Luego, con métodos ópticos, controlamos estos estados de la luz. Por ejemplo, usando vidrios semiespejados especiales y cristales birrefringentes, podemos desviar para uno u otro lado un fotón en base a la polarización que tiene. Así manipulamos el camino por el que se desplaza hasta alcanzar el detector de salida.

–¿La técnica que desarrollaron les permite reconstruir causalmente qué fue lo que pasó con el fotón en todo ese camino?

–Sí, pero nuestra reconstrucción no es causal en el sentido de progresión temporal. Lo que se reconstruye es el proceso como un todo. Por ejemplo, podría pasar que cada vez que entra en el canal de transmisión un fotón con polarización horizontal se rote imprevistamente a diagonal, pero que entrando en diagonal no sufra modificaciones. Hay ciertos síntomas, ya clasificados, que indican cómo interactúan con el medio ambiente los procesos cuánticos. Si detectás los síntomas, podés ponerte el traje de médico y evitar que interactúen nuevamente.

–Los resultados de estos experimentos fueron publicados en el 2011 en la tapa de Physical Review Letters, la revista de física más importante del mundo. ¿Por qué tuvieron tanta importancia?

–Porque es un método distinto de los otros existentes. Ya se conocían métodos de tomografía que funcionaban bien para uno o dos qubits (bits cuánticos), pero cuando aumentaba la cantidad se volvían largos y tediosos, y crecían sus pasos exponencialmente hasta hacerlos inaplicables. Nuestro método es selectivo, porque permite verificar específicamente la naturaleza de un problema del que se tienen algunos indicios; y eficiente porque es posible usarlo en sistemas muy grandes sin límite de qubits.

–¿En qué nivel de desarrollo está la computación cuántica?

–Hay máquinas muy básicas, de 4 o 5 qubits. Sirven para hacer algunas tareas y demostrar que funcionan como fueron predichas. Pero una computadora cuántica con tan pocos bits no te sirve para hacer nada que no harías mucho mejor y más rápido con una clásica.

–¿Cuál es el problema que impide hacerlas más grandes?

–Para que un sistema cuántico funcione correctamente, como una computadora, tiene que estar muy aislado de su entorno para poder controlarlo con mucha precisión. Si no el entorno lo empieza a modificar y ya no se comporta como estaba previsto. Hoy en día la tecnología está en un punto en donde es posible controlar sólo unos pocos bits cuánticos. No hay muchos laboratorios que logren controlar bien más de siete qubits, entre ellos está el de Wineland en Colorado y el de Rainer Blatt en Austria, que trabajan con trampas de iones. En el de Blatt, por ejemplo, logran controlar hasta catorce qubits con bastante precisión, pero aún no llega a ser tan versátil como la computadora cuántica a la que apuntamos.

–¿La solución pasa por levantar algún tipo de pared entre el sistema y el entorno?

–El problema es que la pared también es el entorno.

–¿Cómo se podría aislar entonces?

–Depende de cada técnica, pero casi todos estos experimentos se hacen en cámaras de vacío, en donde se introducen unos pocos átomos.

–¿La mejor pared es el vacío?

–Para partículas que chocan, sí, pero el problema es que por el vacío también viajan la luz, las ondas electromagnéticas y los campos eléctricos. Por lo tanto también hay que poder aislar el sistema de todos esos elementos. Además, una vez que se logra algo que esté lo suficientemente aislado en función de las características que tiene el sistema, para poder procesar información es necesario encontrar una forma controlada de interactuar con él. Y eso se consigue en general mediante láseres o microondas.

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C. SCHMIEGELOW Y M. LAROTONDA EN EL LABORATORIO DE OPTICA CUANTICA DEL CITEDEF.
 
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