Ciencia//Con bits de computación del futuro, físicos cuánticos indagan fenómeno de medidas débiles

Investigación realizada en Chile, liderada por el investigador de la Universidad Mayor, Raúl Coto, fue publicada por la revista Scientific Reports.

Un grupo de científicos chilenos y extranjeros, liderados por el investigador de la Universidad Mayor, Raúl Coto, desarrolló un estudio que busca entregar una contribución a una de las principales y más antiguas teorías de la física cuántica: la de las mediciones cuánticas. El trabajo, que se llevó a cabo en nuestro país y fue recientemente destacado por la revista científica Scientific Reports, indaga acerca de la detección de señales débiles (o imperceptibles), utilizando bits de computación cuántica para controlar su amplificación en forma remota.

“Lo que hicimos fue dar una base teórica, a través de simulaciones numéricas y teoremas, para determinar bajo qué condiciones puede ocurrir este fenómeno y cómo se puede manipular la amplificación de las señales desde afuera de un sistema, en forma remota, utilizando qubits o bits de computación cuántica. Este hallazgo podría tener aplicaciones en estudios de la química o la biología”, explicó Coto, de nacionalidad chileno-cubana, quien lideró el equipo internacional de científicos integrado por Víctor Montenegro, Miguel Orszag (ambos chilenos), Vitalie Eremeev (moldavo) y Douglas Mundarain (venezolano).

La investigación denominada “El poder de un qubit de control en medidas débiles” consiste en el control cuántico de la amplificación de señales débiles, tales como: microondas o radiofrecuencia, utilizando un sistema de bits de computación cuántica, o qubits, acoplados a un medidor clásico. El hallazgo a partir de este estudio muestra cómo el control de la amplificación de estas señales entre sistemas débilmente acoplados (y que comparten señales que son imperceptibles para los mecanismos tradicionales de medición) se puede realizar en forma remota gracias a la interacción del qubit principal con un segundo qubit o uno de control que tuvo lugar en el pasado y que deja a ambos cuánticamente correlacionados. Sin embargo, al momento de iniciar protocolo de amplificación este segundo qubit se encuentra ajeno al proceso, salvo por la correlaciones cuánticas (entanglement) antes creadas. 

La manipulación de dichas amplificaciones determinó como una de sus conclusiones una sugerencia sobre la aplicación del control de la amplificación de señales débiles, utilizando mecanismos propios de la computación cuántica, a fin de mejorar la precisión de las mediciones. De acuerdo a Coto, quien se desempeña en el recientemente formado Centro de Información Cuántica y Óptica Cuántica de la Universidad Mayor, el hallazgo supone un potencial de aplicación en disciplinas como biología y la química.

“La idea de poder tener control remoto sobre fenómenos cuánticos abre una puerta a un tema que ya se está estudiando mucho en el marco de la astronomía, y es si usando sistemas que están cuánticamente correlacionados, uno podría ir dentro de un agujero negro (por dar un ejemplo) y el otro entonces dar cuenta de que le sucede al primero dentro del agujero. Esto,  ya que estos sistemas aunque están físicamente en lugares distintos, no se pueden describir como entes separados, siempre y cuando existan correlaciones cuánticas entre ellos”, señala el investigador.

Amplificando “señales oscuras” 

Las mediciones débiles son un tipo de medida cuántica que hacen que el aparato de medición adquiera muy poca información sobre el sistema que se desea medir. Sin embargo, una subsecuente medición fuerte sobre el sistema hace que se amplifique la poca información obtenida durante la medición débil. A fines de los años 80, el físico cuántico israelí Yakir Aharonov junto a dos colaboradores sugirieron este curioso efecto. El paper liderado por Raúl Coto se adentra en esas conexiones débiles, investigando el control cuántico de una amplificación a través de un qubit extra.

“Las señales débiles son señales de muy baja intensidad que van a ser consideradas como ‘oscuras’ y estarán escondidas para la mayoría de los aparatos de medición. Lo interesante de este trabajo es la aplicación de la información cuántica en el proceso: el hecho de crear estados no clásicos, es decir, netamente cuánticos, te permite hacer un control remoto de los procesos. No es algo trivial o que entendamos a partir del sentido común”, precisa el investigador a cargo del estudio.

Su trabajo muestra que, para las mediciones débiles, el control se puede realizar de forma remota a través de un sistema de bits cuánticos acoplados a un medidor tradicional o meter, cuya función es registrar esa interacción. “Cuando esa interacción, bajo algunas condiciones, es muy débil, lo que hace el qubit es amplificar la medición. Al llevar a cabo el protocolo que proponemos en el paper, cuando los sistemas y los aparatos de medición interactúan débilmente, podemos diferenciar los cambios en las señales, haciendo una diferencia enorme. Lo que estamos amplificando no es la señal propia, sino el efecto de la interacción”, explica. 

La investigación desarrollada por este grupo de físicos cuánticos se materializó en la definición de dos teoremas para dar la base teórica a su aplicación.  Además, las conjeturas hechas en este trabajo sobre las posibles aplicaciones, hoy día cobran vida por medio de dos trabajos que se encuentran en preparación, donde el grupo demuestra a través de simulaciones numéricas que en efecto se pueden medir campos magnéticos muy pequeños con alta precisión.

Aporte para mejorar investigación cuántica en Chile

El qubit o bit cuántico -análogo del bit de la informática tradicional– es un sistema cuántico dos niveles energéticos separados y que pueden ser manipulados arbitrariamente, pudiendo ser descrito solo a través de la mecánica cuántica. Mientras que el bit clásico puede ser solamente cero o uno, el bit cuántico tiene infinidad de estados posibles. El qubit, la unidad mínima y constitutiva de la información cuántica, es un concepto clave para la computación y criptografía cuántica, que en varios casos es aplicado de forma innovadora a la medición de un sistema de carácter clásico. A juicio de Coto, la aplicación de este protocolo, basado en los qubit, podría ser muy útil para la investigación de señales débiles en nuestro país.

“Espero que este artículo pueda traer un nuevo conocimiento en este campo de la mecánica cuántica para estudiantes y académicos, y los motive a usar esta línea de investigación. Para medir señales débiles se necesita, en general, un equipamiento muy caro. Sin embargo, en el marco de las medidas débiles se ha logrado que investigadores que tienen un presupuesto medio puedan hacer buenos experimentos basado en la mecánica cuántica, no en qué tan bueno es este aparato. En un país como Chile, donde los recursos son acotados, es un buen lugar para ocupar este protocolo, desarrollando investigación cuántica a buen nivel”, destaca.

La investigación liderada por Raúl Coto, como primer autor del paper destacado por Scientific Reports, también contó con la colaboración de Miguel Orszag, quien es considerado el padre de la óptica cuántica chilena, con reconocimientos recientes en Estados Unidos, más de 150 publicaciones en revistas indexadas y libros traducidos al chino y alemán. Ambos forman parte del nuevo Centro de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Universidad Mayor, que impulsará la formación de nuevos doctores e investigación en este campo disciplinario.