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La física cuántica necesita técnicas de detección de alta precisión para profundizar en las propiedades microscópicas de los materiales. De los procesadores cuánticos analógicos que han ido surgiendo, los llamados microscopios de gases cuánticos han demostrado ser herramientas potentes para lograr comprender los sistemas cuánticos a nivel atómico. Estos dispositivos producen imágenes de esos gases con una resolución muy alta: permiten detectar cada uno de los átomos.
Ahora, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO, en Castelldefels, cerca de Barcelona), dirigidos por la investigadora ICREA Leticia Tarruell, han construido su propio microscopio de gases cuánticos, llamado QUIONE en honor a la diosa griega de la nieve.
Es el único que capta imágenes de átomos individuales de gases cuánticos de estroncio en el mundo, así como el primero de este tipo en España. Los detalles ya los han publicado en una prepublicación.
Más allá de la espectacularidad de las imágenes en las que se pueden distinguir átomos individuales, el objetivo de QUIONE es la simulación cuántica. "La simulación cuántica se puede utilizar para reducir sistemas muy complicados a modelos más simples para luego comprender preguntas abiertas que los ordenadores actuales no pueden responder, como por qué algunos materiales conducen electricidad sin pérdidas incluso a temperaturas relativamente altas", explica Tarruell.
La singularidad de este experimento recae en el hecho de que han logrado llevar el gas de estroncio al régimen cuántico, colocarlo en una red óptica donde los átomos pudieran interactuar por colisiones y luego aplicar las técnicas de imagen de átomos individuales. Estos tres ingredientes juntos hacen que el microscopio de gas cuántico de estroncio del ICFO sea único en su especie.
Ventajas del estroncio
Hasta ahora, estos microscopios se habían basado en átomos alcalinos, como el litio y el potasio, que tienen propiedades más simples en términos de su espectro óptico en comparación con átomos alcalinotérreos como el estroncio. Esto significa que, en estos experimentos, este elemento ofrece más ingredientes con los que jugar.
De hecho, en los últimos años, las propiedades únicas del estroncio lo han convertido en un elemento muy popular para aplicaciones en los campos de la computación y la simulación cuánticas.
Por ejemplo, se puede utilizar una nube de átomos de estroncio como procesador cuántico atómico, el cual podría resolver problemas que van más allá de las capacidades de los ordenadores clásicos actuales.
La nube de átomos de estroncio en medio de la celda de vidrio. / ICFO
Con estas ventajas, los investigadores vieron en el estroncio un gran potencial para la simulación cuántica, y se pusieron manos a la obra para construir su propio microscopio de gases cuánticos. Así nació QUIONE.
QUIONE, un simulador cuántico de cristales
Primero redujeron la temperatura del gas de estroncio. Utilizando la fuerza de varios rayos láser, se puede reducir la velocidad de los átomos hasta llegar a un punto en el que quedan casi inmóviles, sin apenas moverse, reduciendo su temperatura hasta casi el cero absoluto en tan solo unos milisegundos.
Entonces, las leyes de la mecánica cuántica rigen su comportamiento y los átomos muestran nuevas características como la superposición y el entrelazamiento cuánticos.
Luego con la ayuda de láseres especiales, los autores activaron la red óptica, lo que mantiene los átomos ordenados en el espacio formando una cuadrícula. "Puedes imaginarte una huevera, donde los huecos individuales se rellenan con los huevos. Pero en lugar de huevos tenemos átomos y en lugar de una huevera tenemos la red óptica", señala la primera autora, Sandra Buob.
Los átomos en la "huevera" interaccionaban entre sí, a veces experimentando el efecto túnel para moverse de un lugar al otro. Esta dinámica cuántica entre átomos imita la de los electrones en ciertos materiales. El estudio de estos sistemas puede, por tanto, ayudar a comprender el complejo comportamiento de determinados materiales, la idea clave de la simulación cuántica.
Fotos y vídeos de los átomos
En cuanto el gas y la red óptica estuvieron a punto, los científicos tomaron las imágenes con su microscopio y, finalmente, pudieron observar su gas cuántico de estroncio átomo a átomo.
En ese momento, la construcción de QUIONE ya había sido un éxito, pero sus creadores quisieron sacarle todavía más partido. Así, además de las fotografías, tomaron vídeos de los átomos y pudieron observar que, si bien deberían permanecer quietos durante la toma de imágenes, a veces saltaban a un punto cercano de la red.
Esto puede explicarse por el efecto túnel: "Los átomos estaban 'saltando' de un sitio a otro. Fue algo muy bonito de ver, ya que literalmente estábamos presenciando una manifestación directa de su comportamiento cuántico inherente", apunta Buob.
Confirmar la superfluidez
Finalmente, el equipo utilizó su microscopio de gases cuánticos para confirmar que el gas de estroncio era un superfluido, una fase cuántica de la materia que fluye sin viscosidad.
"Apagamos el láser de la red de repente para que los átomos pudieran expandirse en el espacio e interferir entre sí. Esto generó un patrón de interferencia, debido a la dualidad onda-partícula de los átomos en el superfluido. Cuando nuestro equipo lo captó, comprobamos la presencia de superfluidez en la muestra", explica otro de los autores, Antonio Rubio-Abadal.
"Es un momento muy emocionante para la simulación cuántica", añade Tarruell, quien adelanta: "Ahora que hemos agregado el estroncio a la lista de microscopios de gases cuánticos disponibles, pronto podremos simular materiales más complejos y exóticos. Entonces se espera que surjan nuevas fases de la materia. Y también esperamos obtener mucha más potencia computacional para utilizar esta maquinaria como ordenadores cuánticos analógicos".
El equipo en el laboratorio (Sandra Buob, Antonio Rubio-Abadal, Vasiliy Makhalov, Jonatan Höschele, y Leticia Tarruell). / ICFO
Referencia:
S. Buob, J. Höschele, V. Makhalov, A. Rubio-Abadal y L. Tarruell. "A strontium quantum-gas microscope". Preprint en arXiV, 2023
La investigación ha recibido apoyo a nivel nacional (premio de la Real Sociedad Española de Física, y proyectos y becas de la Fundación BBVA, Fundación Ramón Areces, Fundación La Caixa y Fundación Cellex) y europeo (incluyendo un proyecto ERC).
QUIONE es un programa creado por ICFO que tiene como objetivo utilizar procesadores cuánticos basados en átomos ultrafríos detectados y controlados individualmente para resolver problemas difíciles para los ordenadores clásicos. El programa incluye el procesador cuántico analógico QUIONE I, el microscopio de gases cuánticos mencionado en el estudio, y un procesador híbrido analógico-digital llamada QUIONE II, que actualmente se encuentra en construcción. QUIONE forma parte de los ocho grandes programas que la Generalitat de Cataluña, a través de la Secretaría de Políticas Digitales, cofinancia en el marco de su apuesta por el impulso de las tecnologías cuánticas.
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