La revolución cuántica de la tecnología del siglo XXI

DAVID ZUECO DAVID ZUECO 07/04/2011

Si en el siglo pasado hemos asistido a una revolución tecnológica propiciada por el uso de los semiconductores en la microelectrónica, en este nuevo siglo se augura una nueva revolución, pero esta vez debida al desarrollo de una nueva tecnología, basada en el diseño de circuitos cuánticos.

La cuántica es uno de los mayores logros intelectuales y científicos, capaz de explicar el comportamiento de lo "muy pequeño", como los átomos. En este mundo pequeño, los objetos pueden ser ondas o partículas, o ambas cosas, pueden estar en varios sitios a la vez y atravesar muros. Todos estos extraños fenómenos han desafiado la ciencia y su interpretación, pero una tras otra, cada locura cuántica ha sido verificada en los laboratorios. Hasta no hace mucho el problema de vivir con objetos que estaban en dos sitios a la vez, preocupaba solo a físicos y filósofos, que trataban de entender y explicar cómo todo esto era posible. La física cuántica se restringía a los átomos. En nuestro día a día cotidiano todo estaba en su sitio.

Pero el problema seguía ahí, nosotros y todo lo que podemos ver está formado por átomos. ¡Y los científicos dicen que pueden estar aquí o allá! ¿Por qué, pues, nunca hemos observado a nuestro hermano en varias habitaciones a la vez? La ciencia también respondió a esta pregunta y nos explicó que en los objetos grandes, como los seres vivos, la cuántica se "ha disipado", por el contacto con el resto de objetos que nos rodean (técnicamente se denomina el proceso de decoherencia).

Entonces, ¿problema resuelto? No del todo. Queda una pregunta. ¿Cuán grande debe ser un objeto para que se comporte "clásicamente"? En otras palabras, ¿dónde está la frontera entre el mundo cuántico y clásico? O de otra forma, ¿podemos construir objetos artificiales cada vez más grandes, pero que se comporten bajo las leyes de la mecánica cuántica? Y si se construyen, ¿podemos usar estos dispositivos para desarrollar una nueva tecnología?

La promesa de esta nueva tecnología es lo que se conoce como segunda revolución cuántica. En la actualidad ya se usa para comunicaciones seguras ("internet cuántico"). Otros sueños son construir ordenadores mucho más rápidos y dispositivos más precisos, que nos permitirán hacer cálculos hasta hoy imposibles.

Frontera clásico-cuántica

Una de las líneas de investigación del grupo de Física estadística y no lineal (Fenol) del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA), centro mixto de la Universidad de Zaragoza y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, y el BIFI, aborda el estudio de circuitos y resonadores no lineales y su aplicación en el campo de las tecnologías cuánticas.

Los sistemas con los que trabajamos suelen ser no lineales. El caos es un ejemplo paradigmático de fenómeno no lineal. Dos sistemas iguales, con condiciones iniciales muy parecidas, pero que evolucionan de forma muy distinta con el tiempo. Una de nuestras actividades se centra en el estudio de la dinámica de estos sistemas y su control, para poder aplicar los resultados a los circuitos cuánticos que se desarrollan para estas nuevas máquinas.

Otra línea de investigación se centra en el estudio de esa transición entre el mundo clásico y cuántico. Por ejemplo, recientemente hemos demostrado que "inyectando energía" inteligentemente a un sistema, se puede mantener la cuántica en contra de la decoherencia. Así se podrían observar fenómenos cuánticos a temperatura ambiente.

Aunque nuestra investigación es teórica, colaboramos con grupos experimentales. Uno de los últimos logros en los que hemos participado, es el haber conseguido el mayor acoplamiento entre luz y materia hasta la fecha. El dispositivo era un circuito superconductor construido y medido en el Walther Meissner Institut en Garching (Alemania). Nosotros junto con otros grupos teóricos desarrollamos la teoría que permitió entender el experimento.

También trabajamos con el grupo Molchip del ICMA, en el desarrollo de chips moleculares útiles para las tecnologías cuánticas. Recientemente este grupo ha desarrollado moléculas, que sirven como puertas lógicas cuánticas y nosotros ayudamos en su análisis teórico. Nuestro reto es el diseño de aparatos cuánticos robustos frente a la decoherencia, que permitan hacer operaciones con muchos de estos chips. Queremos seguir entendiendo este extraño mundo cuántico, para así controlarlo y poder usarlo en el beneficio de la sociedad.

El grupo Fenol (http://complex.unizar.es) comenzó su actividad a principios de los años 90 y en la actualidad cuenta con 17 miembros. En colaboración con otros grupos, tanto nacionales como internacionales, ha liderado estudios en el área de la física estadística y no lineal. Y en estos momentos, sus investigaciones se centran en el estudio de los aspectos no lineales en las tecnologías cuánticas de la información, el estudio de redes complejas y la investigación de diversos problemas en biofísica.