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Especialistas debaten las tecnologías cuánticas emergentes y los estudios en desarrollo en Brasil

Publicado em 10 maio 2021

Por José Tadeu Arantes, da Agência FAPESP

En el año 2000, en ocasión del 100° aniversario de la hipótesis de Max Planck (1858/1947) sobre la cuantización de la energía, una nota destacada de la revista Scientific American mostró, que en esa oportunidad, cerca del 30% del PBI norteamericano ya se basaba en invenciones tornadas posibles por la mecánica cuántica. Desde entonces, el número de aplicaciones no cesó de crecer y un enorme conjunto de tecnologías usadas hoy comúnmente se fundan en propiedades cuánticas del mundo celular, atómico y subatómico.

Los dispositivos derivados de estas tecnologías van desde semiconductores en chips de computadora hasta láseres para uso médico, desde lectores de códigos de barras hasta detectores de luz en cámaras digitales de teléfonos inteligentes, desde lámparas LED hasta máquinas de resonancia magnética para imágenes, desde relojes elementos atómicos de fundamental importancia para la calibración de GPS hasta sensores para monitorear los efectos del cambio climático global.

El pasado lunes (03/05), un evento en línea reunió a cuatro expertos para hablar sobre las tecnologías cuánticas emergentes y los esfuerzos de investigación que se llevan a cabo en Brasil, y particularmente en el Estado de São Paulo, para posicionar al país en esta gran carrera global liderada por el Estados Unidos, China y Unión Europea. Denominado “Tecnologías Cuánticas Emergentes”, el evento fue una edición más del Ciclo de Ciencia e Innovación ILP-FAPESP, promovido por el Instituto do Legislativo Paulista (ILP) y la FAPESP.

Participaron Luiz Davidovich, profesor del Instituto de Física de la Universidad Federal de Río de Janeiro (IF-UFRJ) y presidente de la Academia Brasileña de Ciencias (ABC); Barbara Amaral, profesora del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP); Gustavo Wiederhecker, profesor del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad Estatal de Campinas (IF-Unicamp); y Paulo Nussenzveig, profesor de IF-USP. El encuentro estuvo presidido por el profesor Carlos Américo Pacheco, director general de la FAPESP.

Como demostró Davidovich en su presentación, la física cuántica se desarrolló espectacularmente a través de dos revoluciones. El primero, que tuvo lugar en las tres primeras décadas del siglo XX y dirigido por científicos del calibre de Albert Einstein, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg y Wolfgang Pauli, sentó las bases de una teoría capaz de explicar lo sorprendente comportamientos de objetos en escalas subatómicas, atómicas y moleculares. El segundo, que comenzó a finales del siglo XX, asociado con la capacidad de controlar átomos y fotones individualmente, abrió un horizonte prácticamente ilimitado de aplicaciones para las propiedades cuánticas.

“La hoja de ruta para las nuevas tecnologías cuánticas abarca cuatro pilares básicos: comunicación, computación, simulación y metrología, todos los cuales están respaldados por la ciencia básica. Y, para cumplir con esta hoja de ruta, es necesario actuar en tres frentes: ingeniería y control; software y teoría; educación y formación de personas ”, dijo Davidovich.

El presidente de ABC dio varios ejemplos: desde la criptografía que es prácticamente a prueba de piratas informáticos hasta el uso de un solo átomo para mapear la estructura de una biomolécula, a través de la propiedad del espín; desde un gravímetro para mapear agua subterránea o capas de aceite hasta un acelerómetro que le permite calcular con precisión la posición de un avión en áreas sin cobertura GPS. Pero se detuvo en un campo de aplicación especialmente atractivo por su potencial: el de la computación cuántica.

“Una de las motivaciones de la computación cuántica son los límites de la computación clásica. En las computadoras clásicas, la cantidad de transistores en las unidades centrales de procesamiento (CPU) crece exponencialmente con el tiempo. El nuevo chip de Apple tiene 16 mil millones de transistores comprimidos en un espacio mínimo. La información se está compactando cada vez más y llegaremos a una situación en la que un solo átomo definirá un poco de computación ”, dijo.

“Las computadoras clásicas funcionan con bits. Esto significa que podemos codificar una oración en una secuencia de 0 y 1. Las computadoras cuánticas funcionan sobre la base de qubits, en los que son posibles estados infinitos entre 0 y 1 ”, explicó. Esto le daría a la computadora cuántica una velocidad de procesamiento incomparablemente más alta que la computadora clásica.

Esta posibilidad, que hasta hace poco era un supuesto teórico, se demostró en la práctica en 2019, cuando Google demostró su computadora cuántica experimental. “Con un chip de apenas 53 qubits, pudo hacer en tres minutos un proceso que el mejor superordenador clásico de IBM, que ocupa un área equivalente a dos canchas de baloncesto, tardaría dos días en completar”, informó Barbara Amaral en su presentación. .

Dio una exposición muy detallada sobre la computación cuántica. "Simplemente, una computadora cuántica es un dispositivo que explota las propiedades de la física cuántica para manipular, almacenar y transmitir información", dijo.

Hay tres propiedades de este tipo, según lo detallado por el profesor de IF-USP. El primero es la cuantificación de la energía, que es la base misma de la física cuántica. La cuantificación significa que, en los sistemas cuánticos, la energía adquiere valores discretos y no continuos, porque no todos los niveles de energía son posibles. El segundo es la superposición, que se debe al carácter ondulatorio que asumen las partículas. La superposición significa que las partículas se suman o restan de una manera análoga a la de las ondas mecánicas en la superficie de una piscina. "Eso explica la amplia gama de valores que pueden ser asumidos por los qubits, en contraste con apenas dos valores, 0 ó 1, asumidos por los bits”, destacó Amaral.

La tercera propiedad, finalmente, se llama "entrelazamiento". Hace que dos sistemas cuánticos, como dos electrones, por ejemplo, muestren correlaciones muy fuertes después de que se relacionan. Lo que le sucede a uno influye en el otro. "Estas correlaciones son un recurso muy importante para diversas aplicaciones en la informática y la información cuántica", afirmó Amaral.

Son un recurso formidable. Pero también el talón de Aquiles de la computación cuántica, ya que, al interactuar con el entorno, los sistemas cuánticos pierden muy fácilmente su condición de entrelazamiento. Es por eso que las computadoras cuánticas experimentales de Google e IBM deben enfriarse a temperaturas extremadamente bajas para que funcionen. Hasta que no se resuelva este enorme desafío científico-tecnológico, será difícil que la computación cuántica despegue realmente.

No hace falta decir que el entrelazamiento cuántico se ha convertido en uno de los temas de investigación más candentes del mundo, tanto en el ámbito académico como empresarial. “En Silicon Valley, Estados Unidos, ya hay cientos de startups dedicadas al desarrollo de la computación cuántica. A algunas personas les parece una locura que estas empresas emergentes estén recibiendo financiación masiva cuando el futuro del negocio es tan incierto. Pero, si una de estas startups sale bien, valdrá la pena y muchas veces más de toda la inversión realizada ”, comentó Davidovich.

En su presentación, el presidente de ABC ya había demostrado que China, que empezó más tarde, también está realizando inversiones masivas en computación cuántica, con la mayor tasa de crecimiento en patentes.

En Brasil, el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de la Información Cuántica (INCT-IQ) reúne a investigadores de todo el país y ha ayudado en el desarrollo de grupos de investigación y laboratorios en varias regiones. “Hay una concentración particular en São Paulo, especialmente en las universidades públicas, que refleja, por un lado, la competencia de los físicos paulistas y, por otro, el audaz apoyo de la FAPESP”, subrayó Davidovich.

Algoritmos cuánticos
Debido a las tres propiedades cuánticas mencionadas (cuantificación, superposición y entrelazamiento), algunas tareas, para las que no se conoce ningún algoritmo clásico, pueden resolverse mediante algoritmos cuánticos. “Ejemplos de esto son los algoritmos Deutsch-Jozsa y Bernstein-Vazirani, que muestran ganancias exponenciales sobre los algoritmos clásicos más conocidos y se utilizan para descubrir propiedades de funciones matemáticas especiales; el algoritmo Grover, utilizado en buscadores en listas no estructuradas; y el algoritmo de muestreo de circuitos aleatorios, que se utilizó en la computadora experimental de Google ”, informó Amaral.

Otro ejemplo conocido es el algoritmo de Shor, que permite factorizar números enteros. Mientras que con los algoritmos clásicos el tiempo de factorización crece exponencialmente a medida que aumenta el número de dígitos del número, con el algoritmo cuántico de Shor el crecimiento es polinomial. “El uso del algoritmo de Shor sería incluso una amenaza para la seguridad del protocolo de cifrado RSA (Rivest-Shamir-Adleman), ampliamente utilizado hoy en día para la transmisión segura de datos, que se basa exactamente en la dificultad de factorizar números aleatorios. Pero esta es todavía una posibilidad remota, porque, para ejecutar el algoritmo de Shor, sería necesario un ordenador cuántico con cientos de miles de qubits ”, afirmó Amaral.

Si la producción de hardware demanda recursos gigantescos, el capital para la creación de estos algoritmos es básicamente la inteligencia de los investigadores. Por tanto, esta se ha convertido en un área de investigación muy activa en todo el mundo. En Brasil, una de estas investigaciones, apoyada por la FAPESP, es coordinada por Celso Villas-Bôas en la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar). Está enfocado a la creación de algoritmos cuánticos para la solución de sistemas de ecuaciones diferenciales, que tiene una aplicación prácticamente ilimitada en varias áreas del conocimiento humano.

El tercer orador del evento, Gustavo Wiederhecker, centró su presentación en las aplicaciones previstas para las tecnologías cuánticas en el Estado de São Paulo. Y en la lista de tecnologías ya mencionadas, dedicó especial atención a la detección cuántica.

Al igual que con la informática, las tres propiedades cuánticas fundamentales para la detección son la cuantificación de energía; la coherencia o superposición, resultante de la interferencia de ondas entre partículas subatómicas, átomos e incluso moléculas; y finalmente, la correlación, como es el caso del entrelazamiento. "Un sensor cuántico mide cantidades físicas mediante la exploración de una o más de estas tres propiedades", dijo Wiederhecker.

Y continuó: “Un ejemplo de sensor que explora niveles de energía discretos es el reloj atómico, utilizado en metrología y diversas aplicaciones. La coherencia cuántica posibilita, por ejemplo, hacer resonancia nuclear magnética en una persona en movimiento. Por último, la correlación cuántica permite sensoriar perturbaciones mecánicas con precisión subatómica”.

“Tanto la coherencia como el entrelazamiento son extremadamente sensibles a factores externos y pueden verse perturbados por señales diminutas que los sensores clásicos no podrían detectar. Esto se puede aprovechar como una gran ventaja con los sensores cuánticos ”, explicó Wiederhecker.

Como detalló el investigador, los relojes atómicos son máquinas capaces de detectar pequeñas variaciones de energía en los átomos resultantes de la transición cuántica de electrones del estado fundamental al primer estado excitado. Estas transiciones ocurren a intervalos extremadamente precisos, lo que hace posible contar el tiempo con gran precisión. Los mejores relojes atómicos actuales utilizan átomos de cesio 133. Y la propia definición de segundo, adoptada como unidad de tiempo en el Sistema Internacional de Unidades (SI), se basa actualmente en esta propiedad resultante de la cuantificación de la energía, siendo el segundo el período correspondiente a 9.192.631.770 transiciones electrónicas entre los dos niveles mencionados. Hay varias aplicaciones prácticas. Entre ellos, la calibración GPS, que se ha convertido en una herramienta casi omnipresente en el mundo actual.

Daniel Varela, de la USP de São Carlos, y Flávio Cruz, de la Unicamp, son algunos de los investigadores de São Paulo que actualmente trabajan en el área.

“Otra aplicación, la ya adoptada por Embrapa [Corporación Brasileña de Investigación Agropecuaria], es el uso de la técnica LIBS [Espectroscopía de avería inducida por láser], que consiste en irradiar muestras de suelo o plantas con láseres extremadamente potentes para, desde el estándar de transición provocada en los átomos constituyentes, para identificar la composición química de los materiales investigados ”, informó Wiederhecker. El investigador destacó este tipo de aplicación, considerando que la agricultura brasileña actualmente abastece de alimentos a 800 millones de personas en todo el mundo.

“En cuanto a la coherencia cuántica, creo que el ejemplo más sólido de lo que estamos desarrollando hoy en Brasil es el gravímetro. Es un dispositivo que mide la gravedad con una sensibilidad de 1 microsegundo por segundo al cuadrado. Esto significa que es 10 millones de veces más sensible de lo necesario para medir el campo gravitacional de la Tierra. La medición se realiza a través de la interferencia entre los patrones de onda asociados con diferentes átomos ”, dijo Wiederhecker.

Un ejemplo de la aplicación de la gravimetría es la Misión GRACE de la NASA (Gravity Recovery and Climate Experiment) (agencia espacial norteamericana), que, con el uso de un satélite, realiza mediciones del campo gravitacional local de la Tierra. Entre varios resultados, la misión encontró que la masa de hielo que cubre la Antártida ha sufrido una pérdida mensual del orden de gigatoneladas, debido al cambio climático global.

El profesor Philippe Courteille ha desarrollado investigaciones sobre gravimetría en el Instituto de Física de São Carlos (IFSC-USP).

“En el campo de las correlaciones cuánticas, estamos trabajando en un dispositivo para medir vibraciones mecánicas usando luz. Esto se realiza mediante microcavidades ópticas, cuya frecuencia de vibración se ve perturbada por el acercamiento de un objeto que refracta la luz. Para tener una idea de la escala, la microcavidad es diez veces más pequeña que el diámetro de un cabello. Dividiendo este tamaño por 20 mil, se obtiene la distancia entre dos átomos en la red cristalina del silicio, que es el material con el que fabricamos la microcavidad. Dividiéndolo de nuevo por un factor de diez, se obtiene el tamaño de un solo átomo de silicio. Y, dividiendo esto por un factor de 10,000, finalmente llegamos al tamaño del protón. Esta cavidad es capaz de detectar vibraciones del tamaño del protón ”, detalló Wiederhecker.

Aplicaciones prometedoras en la agricultura
Hoje um dos pesquisadores mais ativos no campo das tecnologias quânticas, reconhecido internacionalmente, Paulo Nussenzveig dedicou sua participação no evento para divulgar uma iniciativa que um grupo de cientistas tomou há cerca de oito meses, de tentar construir um programa para canalizar investimentos a essas novas tecnologias en Brasil. La iniciativa se llama QuInTec, de Quantum Information Technologies.

“En 2017, la revista The Economist trazó las inversiones anuales no secretas de diferentes países en investigación para el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas. Los datos se presentaron en millones de euros. Mientras que la Unión Europea lideró el ranking, con 550, seguida de Estados Unidos (360) y China (220), Brasil apareció en el mapa con 11 ”, dijo Nussenzveig.

Y continuó: “Más recientemente, en agosto de 2020, la compañía Qureca hizo un nuevo mapa, con inversiones gubernamentales y privadas en tecnologías de información cuántica. En el mapa, vemos un esfuerzo muy grande de China, con inversiones correspondientes a la mitad del valor total estimado, la participación de EE. UU. Y la contribución individual de distintos países de la Unión Europea. Pero las inversiones en Brasil ni siquiera se contabilizan en el mapa. Eso mueve nuestra atención, porque, como vimos en las presentaciones anteriores, tenemos una presencia fuerte en el área académica. Pero ese potencial académico no se está aprovechando. Y estamos perdiendo una gran oportunidad de generar tecnologías que se están desarrollando en el resto del mundo”.

Nussenzveig mencioó a las personas involucradas en la formulación de las propuestas de la iniciativa QuInTec: Celso Villas-Bôas (UFSCar), Frederico Brito (USP-São Carlos), Gustavo Wiederhecker (Unicamp), Celso Terra Cunha (Unicamp), Philippe Courteille (USP-São Carlos)) y él mismo. “En octubre de 2020, realizamos una reunión virtual con el director científico de la FAPESP y obtuvimos luz verde para hacer contactos en nombre de la Fundación. En diciembre realizamos el primer taller con la comunidad académica. Y tenemos varias actividades programadas para ir más allá de la comunidad académica este semestre ”, dijo.

Desarrollando un punto ya presentado en el evento, Nussenzveig volvió al tema de la fragilidad de los sistemas cuánticos. Debido al hecho de que estos sistemas se acoplan muy fácilmente al entorno y pierden sus propiedades intrínsecas, tal fragilidad es un obstáculo importante para el desarrollo de la computación cuántica. Pero puede ser una gran ventaja para la detección. “La debilidad indica que estos sistemas están experimentando el mundo exterior de una manera extremadamente efectiva. Y eso define un buen camino para que nosotros iniciemos una iniciativa tecnológica en el Estado de São Paulo en el área de sensoriamiento”, afirmó.

El investigador recordó estudios que muestran que en Brasil existe un potencial de expansión de más de 100 millones de hectáreas de tierras agrícolas, sin deforestación. Y que el país podrá dar cuenta del 40% de la demanda adicional de alimentos estimada a nivel mundial para el 2050. "Para mí, esto significa que tenemos la responsabilidad de invertir en el desarrollo de tecnologías cuánticas aplicadas al sector agrícola", enfatizó.

Se puede acceder a la grabación completa del evento “Tecnologías cuánticas emergentes” en www.youtube.com/watch?v=bDlTqU8uWYk.

Agencia FAPESP ( Brasil )

Traducción Programa INFOSALUD

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