Entrevista

Entrevista Profesor Rainer Blatt.
Director de Investigación del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI), Innsbruck, Austria .
Research Director of the Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI), Innsbruck, Austria

Rainer Blat

La teoría cuántica apareció por primera vez a comienzos del siglo XX y se utilizó para explicar cómo la luz y la materia se comportan a nivel fundamental. Hoy en día, se ha desarrollado una nueva generación de tecnologías cuánticas mediante la ingeniería y la explotación de efectos cuánticos naturales.

La teoría cuántica ha cambiado de manera fundamental nuestra comprensión sobre cómo la luz y la materia se comportan a escalas extremadamente pequeñas. En este siglo, las posibilidades de usar efectos cuánticos en muchos sistemas nos conducen a la denominada segunda revolución cuántica, en la que se desarrollarán sensores y dispositivos de medida, incluso de menor tamaño, pero con mayores prestaciones y capacidades de medida, junto con ordenadores cuánticos que superarán la importancia actual de las TIC.

Las aplicaciones de estas tecnologías llegarán a todos los sectores y, como cualquier revolución, requerirá, ya requiere, una metrología cuántica que desarrolle métodos de alta resolución y exactitud para la medición de magnitudes físicas basadas en la mecánica cuántica, particularmente a través del llamado entrelazamiento cuántico (entanglement). Las mediciones clásicas están limitadas por los errores aleatorios y sistemáticos. Los errores aleatorios, originados bien por un control insuficiente del sistema de medida, bien por límites físicos como el principio de incertidumbre de Heisenberg, se pueden reducir repitiendo la medición n veces y luego promediando los resultados. Este proceso converge hacia una distribución gaussiana con una desviación típica que disminuye según el factor n-1/2. Sin embargo, el uso de efectos cuánticos como el entrelazado (entanglement) y la compresión (squeezing) permite mejorar la precisión de la medida más allá de este nivel, disminuyendo el error en una cantidad proporcional a n-1.

La luz ha jugado un papel clave en la metrología desde 1960, cuando el metro se definió mediante el número de longitudes de onda en el vacío de una línea espectral particular del 86Kr. Más recientemente, la metrología óptica no solo ha visto mejoras significativas en la precisión en tales tareas, sino que también ha extendido su uso a medidas de tamaño de partículas subatómicas. Dos de las herramientas más útiles desarrolladas en este campo hasta ahora son quizás el peine de frecuencias ópticas y el reloj óptico, que han mejorado significativamente nuestra capacidad para realizar mediciones precisas de frecuencia y tiempo.

La metrología óptica también se utiliza para medir fuerzas ultra débiles, un requisito cada vez mayor en el campo de la nanotecnología. Un desafío particular es la medición de la interacción de Casimir, una fuerza a escala submicrométrica inducida por fluctuaciones cuánticas del campo electromagnético entre dos cuerpos neutros. En los últimos diez años, se ha logrado un progreso espectacular en la comprensión teórica y la medición de la fuerza de Casimir. Los nuevos métodos de computación nos permiten ahora analizar la fuerza de Casimir tanto entre geometrías planas como no planas.

Un paso importante en el uso de las teorías cuánticas para la metrología es la revisión del sistema internacional de unidades, el SI, programada para octubre de 2018, que se definirá en torno a los valores numéricos de siete constantes de la naturaleza, y que permitirá la realización práctica de todas las unidades a través de experimentos físicos, en los que los fenómenos cuánticos juegan un papel crucial.

En este campo, el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia Austriaca de Ciencias dedica su trabajo a la investigación teórica y experimental básica en las áreas de la óptica cuántica y la información cuántica. Los temas de investigación van desde los principios básicos de la física cuántica hasta sus aplicaciones, por ejemplo, en metrología, tecnología de sensores o procesamiento de información cuántica.

El físico experimental Rainer Blatt, director de investigación del IQOQI, ha llevado a cabo experimentos de vanguardia en los campos de la espectroscopia de precisión, la metrología cuántica y el procesamiento de información cuántica. Trabaja con átomos capturados en trampas de iones que manipula con rayos láser. Este trabajo se basa en sugerencias hechas a mediados de los noventa por los físicos teóricos Ignacio Cirac y Peter Zoller. En 2004, utilizando una configuración sugerida por ellos, el grupo de trabajo de Blatt tuvo por primera vez éxito al transferir la información cuántica de un átomo, de manera totalmente controlada, a otro átomo (teletransporte). La revista científica Nature informó del experimento y le concedió un lugar de honor en la portada. Dos años más tarde, el grupo de trabajo de Rainer Blatt ya logró entrelazar hasta ocho átomos de forma controlada. Crear ese primer “byte cuántico” (qubyte) fue un paso más en el camino hacia el ordenador cuántico. En el año 2011, el equipo logró elevar el record hasta 14 átomos entrelazados. Además, Rainer Blatt dio pasos importantes hacia la corrección exitosa del error cuántico y la construcción de simuladores cuánticos.

Para e-medida es un honor poder entrevistar al Dr. Blatt, y preguntarle directamente sobre cuestiones de interés como las que se resumen en esta breve introducción.

Estimado profesor Blatt, apreciamos sinceramente su apoyo y el tiempo dedicado a responder nuestras preguntas y aclarar nuestras dudas sobre este tema estratégico para todas las personas involucradas en las mediciones.

Para comenzar con esta entrevista, una pregunta genérica clave, que no es nueva para usted: ¿es la tecnología cuántica el futuro del siglo XXI ?. De ser así, ¿qué problemas en este campo, ya sean técnicos o teóricos, le gustaría ver resueltos?

Hay muchas nuevas tecnologías cuánticas disponibles ahora, que están más allá de las que cambiaron el mundo en la llamada 1ª revolución cuántica. Desde mediados de los años veinte del siglo pasado, hemos aprendido los fundamentos de la física cuántica y cómo usarla para muchas aplicaciones, desde el control de la radiación en máseres y láseres, pasando por la producción de elementos electrónicos, hasta la obtención de imágenes médicas y el moderno GPS. Más allá de eso, en las últimas décadas hemos aprendido a crear y manipular entrelazamientos para mejorar las tecnologías cuánticas existentes y usarlas en nuevas aplicaciones. Con su aplicabilidad, que va desde la comunicación cuántica a la metrología y sensores cuánticos, a simulaciones cuánticas y, finalmente, a la computación cuántica. De todos estos campos, la realización de un ordenador cuántico totalmente escalable se encuentra entre las más desafiantes y gratificantes. Si estuviese disponible, se podrían abordar muchos problemas muy difíciles. Aunque ningún bloqueo teórico parece impedirnos llegar allí, sigue siendo un reto en espera de realización. Este no es solo un problema tecnológico o experimental, el progreso teórico ayudará en realizaciones e implementaciones futuras.

¿Qué significa exactamente la segunda revolución cuántica? ¿La segunda revolución cuántica solo beneficiará a los países o regiones altamente desarrollados del mundo, que invierten mucho en investigación de vanguardia?

Como se señaló anteriormente, es el uso de los entrelazamientos para nuevos experimentos y dispositivos, lo que nos permitirá utilizar tecnologías con capacidades mucho más allá de lo que está disponible en la actualidad. Esto define la segunda revolución cuántica en comparación con lo que está disponible desde hace muchas décadas.

Como ya hemos visto en las últimas décadas, los desarrollos exitosos también pueden ocurrir en países pequeños y eventualmente todas las aplicaciones resultantes de la segunda revolución cuántica beneficiarán a todos. Claramente, la capacidad de construir y desarrollar dispositivos técnicos basados en tecnologías cuánticas avanzadas descansa sobre una infraestructura disponible y ciertas inversiones en esta área. Sin embargo, esto no se limita a los países altamente desarrollados. Más bien depende de decisiones políticas y económicas el que los países y las sociedades quieran involucrarse en estas tecnologías.

¿Cómo ve el desarrollo y el nivel cuántico en Europa?. En su opinión, durante la próxima década, ¿cuál será el principal impulsor de la tecnología cuántica?

La física cuántica en Europa está bien establecida y, de hecho, muchos de los desarrollos que han conducido a la segunda revolución cuántica se realizaron primero en Europa. La investigación básica y el conocimiento de la física cuántica en Europa están a la vanguardia y lideran el mundo. Desafortunadamente, este no es el caso cuando se trata de transferir estas tecnologías a las aplicaciones. En esto, otras partes del mundo, en particular los Estados Unidos, son mucho más avanzadas y agresivas.

En este momento, se realizan enormes inversiones en los EE. UU., en Canadá, en Asia (especialmente en China) y en Australia para desarrollar las nuevas tecnologías cuánticas en aplicaciones industriales. Europa ha visto este desarrollo y ha iniciado un programa europeo estrella, conocido como “Flagship Program on Quantum Technologies”, en el que se invertirán un total de mil millones de euros durante la próxima década para desarrollar más las tecnologías cuánticas hacia las aplicaciones industriales.

El impulsor de las tecnologías a corto plazo serán las tecnologías cuánticas de comunicación y, seguidamente, la metrología cuántica y las aplicaciones de sensores. A largo plazo, veremos los simuladores cuánticos y finalmente los ordenadores cuánticos como los impulsores de nuevas tecnologías.

¿Qué puede decirnos sobre la internacionalización de la investigación en este campo? Colaboración entre grupos. Países más avanzados en estos temas.

La investigación de vanguardia siempre es internacional y los grupos exitosos siempre han colaborado a escala internacional. Para futuros desarrollos, esto se intensificará. Por otro lado, cuanto más desarrollo tecnológico hagan las empresas, menos hará el sector público. Los países que respalden la investigación e inviertan temprano en este campo tendrán ventajas cuando los productos correspondientes lleguen al mercado.

Créditos: IQOQI/M. R. Knabl
Créditos: IQOQI/M. R. Knabl

Una pregunta clave para más de un país es: ¿cómo podría un país desarrollar y crear un ecosistema viable, capaz de apoyar a una industria de tecnología cuántica de rápido crecimiento?

Los países con industrias establecidas, por ejemplo en tecnologías de comunicación, tienen una ventaja porque ya hay disponible cierta infraestructura y personal clave. Con el fin de crear, apoyar y sostener una industria de tecnología cuántica creciente, será necesario formar a los estudiantes en las áreas respectivas, especialmente en el campo interdisciplinar actualmente en desarrollo: la “Ingeniería cuántica”. Además, los institutos de investigación, las universidades y los laboratorios nacionales, deben establecer grupos capaces de realizar investigaciones de vanguardia para competir internacionalmente.

¿Qué sabe de lo que se está haciendo ahora en España e Hispanoamérica sobre estos temas?

Sé muy poco sobre la situación en estos países. En general, la investigación básica, principalmente en el aspecto de la teoría, está bien consolidada en estos países; sin embargo, la investigación experimental carece de la infraestructura y el respaldo financiero para poder competir en este momento.

¿Qué grupos de trabajo conoce?

Muchos grupos muy buenos, pero demasiados para ser enumerados aquí.

¿Cómo ve la capacidad de nuestra I + D para enfrentarse a estos desafíos?

La base de la física cuántica está ahí y, como dije anteriormente, la experiencia generalmente está disponible, aunque mayormente del lado de la teoría. Esfuerzos experimentales también existen (en algunas áreas). Por lo tanto, la capacidad científica existe. Sin embargo, afrontar los desafíos futuros en tecnologías cuánticas requerirá más inversiones en infraestructura experimental.

Como Ud. sabe, existen programas de investigación en algunas regiones del mundo, como EUROPA, p. ej., el programa EMPIR o el Quantum Flagship, que apoyan los desarrollos de la tecnología cuántica para ser líderes en el mercado. En su opinión, ¿cuánto tiempo tardarán en producir aplicaciones y productos comercializables? Y más importante aún, ¿qué cambios de gran alcance prevé Ud., para la sociedad y la economía, tras los resultados de estas investigaciones?

Como establece claramente el programa estrella europeo sobre Cuántica: Todavía hay una brecha entre la investigación académica y las amplias aplicaciones de las tecnologías cuánticas. Por lo tanto, la pregunta no puede responderse en términos sencillos. Primero, depende de las tecnologías respectivas. Por ejemplo, las tecnologías de comunicación cuántica están suficientemente maduras y las tecnologías comercializables ya están disponibles o lo estarán en los próximos años. Por otro lado, los ordenadores cuánticos para un uso más general solo estarán disponibles después de nuevos desarrollos tecnológicos. Para que los programas sean eficientes, se requiere que los institutos de investigación (universidad u otros) trabajen en estrecha colaboración con socios industriales.

Los cambios de gran alcance en la sociedad y la economía son enormes y no podrían resumirse aquí. Como ejemplo, considere el desarrollo del láser en 1960, considere su impacto en la tecnología actual y piense en los cambios que ha traído desde entonces. Las tecnologías cuánticas tendrán incluso un mayor impacto.

Toda revolución industrial ha necesitado la metrología como un apoyo necesario para su desarrollo. En esta revolución cuántica, ¿es necesaria también una metrología cuántica?

Como se señaló anteriormente, cada tecnología necesita una intensa investigación y apoyo para ser sostenible. Los laboratorios de patrones, generalmente los laboratorios nacionales de metrología, definen, mantienen y garantizan los patrones, y calibran dispositivos para certificar y garantizar los estándares de calidad. Por lo tanto, para la segunda revolución cuántica, será imperativo contar con dichos patrones y, por lo tanto, con los respectivos laboratorios de metrología.

Si es así, ¿cuáles son los aspectos metrológicos más críticos y necesarios para el desarrollo de esta revolución cuántica? ¿Qué campo metrológico contemporáneo cree que debería dedicar más recursos y esfuerzos en relación con la tecnología cuántica?

Para las tecnologías cuánticas que se desarrollan en las cuatro áreas en que se centra el programa estrella europeo, necesitamos patrones de varios tipos. En primer lugar y ante todo, con la nueva definición de las constantes fundamentales basada en la física cuántica, la metrología cuántica en los campos respectivos es imprescindible. Especial consideración debe darse a los relojes atómicos, que proporcionan hoy día la herramienta más precisa para todas las mediciones.

Para la comunicación cuántica, deben definirse y acordarse internacionalmente protocolos normalizados. Los dispositivos deben ensayarse y calibrarse, y el entrelazamiento debe ser medido y cuantificado.

Para las simulaciones cuánticas y la computación cuántica, se deben proporcionar ensayos normalizados para verificación y validación. Esto asegurará que los dispositivos puedan compararse y evaluarse en todas las plataformas. Esto es muy similar a los dispositivos metrológicos clásicos, para los cuales los laboratorios de patrones generalmente proporcionan el servicio de metrología.

Los laboratorios de patrones, definen, mantienen y garantizan los patrones, y calibran dispositivos para certificar y garantizar los estándares de calidad. Por lo tanto, para la segunda revolución cuántica, será imperativo contar con dichos patrones y, por lo tanto, con los respectivos laboratorios de metrología.
Créditos: IQOQI/M. R. Knabl
Créditos: IQOQI/M. R. Knabl

La investigación en metrología cuántica promete aproximaciones a la construcción de nuevos sensores que alcancen el nivel máximo de precisión en las medidas y que funcionen fundamentalmente mejor que los sensores modernos. En pequeños y medianos Institutos Nacionales de Metrología nos preocupamos por cómo enfocar esta nueva generación de la metrología en relación con las necesidades de desarrollo de nuevos patrones y la necesidad, o no, de trazabilidad de estos nuevos sensores.

Personalmente, no estoy muy familiarizado con la noción de trazabilidad. Los sensores cuánticos mejorados ofrecen, per se, una mejor precisión o mejores relaciones señal-ruido; sin embargo, seguirán necesitando en la mayoría de los casos una calibración.

¿Puede darnos sus opiniones y algunos consejos sobre cómo afrontar este desafío y diseñar una estrategia general, a desarrollar por los institutos nacionales de metrología?

Los institutos de metrología deben reunirse y asegurarse de que tienen una visión común de cuál debe ser su función para garantizar que puedan validar, verificar y, eventualmente, calibrar dispositivos cuánticos, de modo que la industria conozca las reglas bajo las cuales puede fabricar y finalmente vender sus máquinas cuánticas de una manera justa y competitiva.

En un momento de dificultades económicas, donde muchos Estados están ajustando los presupuestos y priorizando ciertas líneas estratégicas, ¿qué acciones recomendaría emprender a los gobiernos en relación con la metrología y particularmente con respecto al desarrollo de la tecnología cuántica?

Simplemente, financien e inviertan en el desarrollo de tales tecnologías. Asegúrense de que su sistema educativo lo permita, de modo que haya suficientes personas formadas que puedan afrontar los desafíos. De lo contrario, van a perder.

Como sabe, el SI se está redefiniendo a partir de constantes de la naturaleza y su realización según patrones cuánticos. Por lo tanto, la física y las tecnologías subyacentes recibirán un interés creciente, y no solo por parte de la comunidad metrológica, sino en todos los campos de la ciencia. ¿Qué puede decirnos sobre las nuevas definiciones de las unidades básicas de medida y el nuevo SI ?. En su opinión, ¿afectará esto significativamente al desarrollo de la ciencia?

La redefinición sobre constantes fundamentales se planeó durante mucho tiempo y ahora es el momento oportuno, ya que basa cada medición en constantes de la naturaleza y no más en artefactos. Esto garantiza una mayor precisión en el futuro y una mayor y mejor reproducibilidad. Por lo tanto, será útil para el futuro desarrollo de la ciencia, que se centrará aún más en las constantes fundamentales y en las interacciones básicas en la naturaleza.

Para finalizar esta entrevista, ¿podría decirnos en qué experimentos está trabajando actualmente su grupo de investigación? ¿Qué dificultades prevé y cuáles necesitarán superar?

Mi grupo de investigación está concentrado en la investigación sobre óptica cuántica e información cuántica con iones atrapados. En óptica cuántica, investigamos la interacción de fotones individuales con átomos individuales a nivel fundamental, con fines de información cuántica, utilizamos cadenas de iones atrapados como bits cuánticos, que se manipulan con haces láser focalizados. Con tal dispositivo, hemos construido dos ordenadores cuánticos, que actualmente se utilizan para el procesamiento de información cuántica con 14 y 20 qubits, respectivamente, así como para simulaciones cuánticas. Para la futura red cuántica, hemos desarrollado una interfaz con la que podemos transferir la información cuántica almacenada en un qubit atómico a un qubit fotónico, utilizando un experimento con cavidad QED. Para la metrología cuántica, utilizamos un ion atrapado de Al+ como referencia de frecuencia, el cual es enfriado ópticamente y medido por espectroscopía lógica cuántica, utilizando un ion de Ca+ confinado en la misma trampa. En general, nuestros esfuerzos de investigación se centran en la investigación básica en los campos correspondientes y en el desarrollo de tecnologías cuánticas para todos los campos relevantes para futuras aplicaciones.

¿Cuál es la importancia para el futuro de estos trabajos y posibles logros?

Como se mencionó anteriormente, estamos llevando a cabo investigación básica a nivel académico tanto para el desarrollo de nuevas tecnologías como para la formación de una generación futura de físicos e ingenieros cuánticos, que luego podrán desarrollar aplicaciones futuras. Uno de los mejores logros que podríamos obtener sería la realización de un ordenador cuántico escalable, lo que requiere la implementación de la corrección de errores cuánticos para mantener los qubits vivos durante todo su tiempo de utilización (en metrología cuántica, simulaciones cuánticas y computación cuántica).

Campos de aplicación.

Mencionados anteriormente: comunicación cuántica, metrología cuántica (especialmente patrones de tiempo y frecuencia), simuladores cuánticos (analógicos y digitales) y, eventualmente, computación cuántica.

¿Y sobre las aplicaciones metrológicas?

Todos los campos anteriores requieren mediciones de precisión, en particular para las aplicaciones de los patrones de tiempo y frecuencia. Pero también, los simuladores cuánticos (especialmente su verificación y validación) requieren un trabajo metrológico y, por supuesto, los ordenadores cuánticos tendrán un enorme impacto en la metrología ya que permitirán el control total de las coherencias cuánticas (a voluntad), obteniendo así estados y sistemas cuánticos adaptados a todo tipo de mediciones específicas.

Trampa de iones para metrología cuántica de precisión. Fuente: IQOQI/M. R. Knabl.
Trampa de iones para metrología cuántica de precisión. Fuente: IQOQI/M. R. Knabl.

Prof. Blatt, le agradecemos su amabilidad para con los lectores de e-medida y le deseamos lo mejor en sus investigaciones actuales y futuras.

e-medida está sumamente agradecida por la gentileza del Prof. Blatt, y por el tiempo y la consideración con que nos ha obsequiado, incluso aportándonos fotos de gran nivel e impacto tecnológico, incluidas en esta entrevista.

Asimismo, e-medida agradece el tiempo y el apoyo del Prof. Miguel Ángel Martin-Delgado, desplazándose a Innsbruck para realizar y obtener en persona esta interesante entrevista con el Prof Blatt .

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Rainer Blat

Quantum theory first appeared in the early part of the 20th Century and was used to explain how light and matter behave at a fundamental level. Today, a new generation of quantum technologies has been created through engineering and exploitation of naturally occurring quantum effects.

Quantum theory has fundamentally changed our understanding about how light and matter behave at extremely small scales. In this century, the possibilities of using quantum effects in many systems lead us to the so-called second quantum revolution, in which sensors and measurement devices will be developed, even of smaller size, but with higher performance and measurement capacity, together with quantum computers that will overcome the current importance of Information and Communication Technology (ICT)).

The applications of these technologies will reach all sectors and, like any revolution, will require, already requires, a quantum metrology that develops high resolution and accuracy methods for the measurement of physical quantities based on quantum mechanics, particularly through the so-called quantum entanglement. Classical measurements are limited by statistical and systematic errors. Statistical errors, originating either from insufficient control of the measurement system or from physical limits such as the Heisenberg uncertainty principle, can be reduced by repeating the measurement n times and then averaging the outcomes. This process converges to a Gaussian distribution with a standard deviation that scales as n−1/2. However, using quantum effects such as entanglement and squeezing makes it possible to improve measurement precision beyond this level, decreasing the error by an amount proportional to n−1.

Light has played a key role in metrology since 1960, when the metre was defined by the number of vacuum wavelengths of a particular spectral line of 86Kr. More recently, optical metrology has not only seen significant improvements in precision for such tasks, but has also greatly extended its use to size measurements of subatomic particles. Two of the most useful tools developed within this field so far are perhaps the optical frequency comb and the optical clock, both tools have significantly improved our ability to make precise measurements of frequency and time.

Optical metrology is also being used to measure ultraweak forces, which is a growing requirement in the field of nanotechnology. One challenge in particular is the measurement of the Casimir interaction, a submicrometre-scale force induced by quantum fluctuations of the electromagnetic field between two neutral bodies. Over the past ten years, dramatic progress has been made in the theoretical understanding and measurement of the Casimir force. New computational methods now allow us to analyse the Casimir force between both planar and non-planar geometries

An important step in the use of quantum theories to metrology is the revision of the international system of units, the SI, scheduled for October next year, which will be defined around the numerical values of seven constants of nature, and which will allow the practical realization of all the units through physical experiments in which quantum phenomena play a crucial role.

In this field, the Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) of the Austrian Academy of Sciences devotes its work to basic theoretical and experimental research in the areas of quantum optics and quantum information. The research topics include since the basics of quantum physics up to its applications, for example, in metrology, sensor technology or quantum information processing.

Experimental physicist Rainer Blatt, Research Director of IQOQI has carried out trail-blazing experiments in the fields of precision spectroscopy, quantum metrology and quantum information processing. He works with atoms caught in ion traps which he manipulates using laser beams. This work is based on suggestions made in the mid1990s by theorists Ignacio Cirac and Peter Zoller. In 2004, using their suggested set-up, Blatt’s working group succeeded for the first time in transferring the quantum information of one atom in a totally controlled manner onto another atom (teleportation). The science journal Nature reported the experiment and gave it pride of place on the cover. Two years later, Rainer Blatt’s working group already managed to entangle up to eight atoms in a controlled manner. Creating such a first “quantum byte” (qubyte) was a further step on the way towards a quantum computer. In 2011 the team managed to push this record to 14 entangled atoms. Furthermore Rainer Blatt took important steps towards successful quantum error correction and the building of quantum simulators.

For e-medida it is an honor to be able to interview Dr. Blatt, and ask him directly about interesting questions such as those outlined in this brief introduction.

 

To start with this interview one general key question that is not new for you: Is quantum technology the future of the 21st century?. If so, what problems in this field, either technical or theoretical, would you most like to see solved?

There are many new quantum technologies now available, which are beyond those that changed the world in the so-called 1st quantum revolution. Since the mid 20s of the last century, we have learned the fundamentals of quantum physics, and how to use it for many applications, ranging from controlling radiation in masers and lasers over the production of electronic elements to medical imaging and the modern GPS. Beyond that, over the last few decades we have learned to create and manipulate entanglement to enhance existing quantum technologies and to use it for new applications. Its applicability ranges from quantum communication to quantum metrology and sensing to quantum simulations and eventually to quantum computing. From all of these fields, the realization of a fully scalable quantum computer is among the most challenging and rewarding. If available, many very difficult problems could be tackled. While no theoretical roadblock seems to prevent us from getting there, it remains a very challenging task awaiting its realization. This is not only a technological or experimental problem, theoretical progress will help in future realizations and implementations.

What exactly does second quantum revolution mean?. Will the second quantum revolution only benefit highly developed countries or regions in the world that invest heavily in cuttingedge research?

 

As pointed out above, it is the use of entanglement for new experiments and devices, which will allow us to use technologies with capabilities way beyond what is available today. This defines the 2nd quantum revolution as opposed to what is available for many decades now.

As we have already seen over the last decades, successful developments can also happen in small(er) countries and eventually all applications resulting from the 2nd quantum revolution will benefit everybody. Clearly, the ability to build and further develop technical devices based on advanced quantum technologies rests on some availa ble infrastructure and certain investments in this area. However, this is not limited to highly developed countries. It rather depends on political and economic decisions whether countries and societies want to get involved with these technologies.

How do you see the development and the quantum level in Europe? In your opinion, during the next decade, what will be the main driver of quantum technology?

Quantum physics in Europe is well established and in fact, many of the developments leading to the 2nd quantum revolution were made in Europe first. Basic research and the quantum physics knowledge in Europe is cutting-edge and worldwide leading. Unfortunately, this is not the case when it comes to transferring these technologies to applications. Here, other parts in the world, in particular in the USA, are much more advanced and aggressive.

At this time, enormous investments are made in the US, in Canada, in Asia (especially in China) and in Australia to develop the new quantum technologies into industrial applications. Europe has seen this development and has initiated the European flagship program on Quantum Technologies, in which a total of one billion Euros will be invested over the next decade to further develop quantum technologies towards industrial applications.

On the shorter timescale, the technology driver will be quantum communication technologies, then quantum metrology and sensing applications.. On a longer timescale, we will see quantum simulators and finally quantum computers as the drivers for new technologies.

What can you tell us about the internationalization of research in this field? Collaboration between groups. Countries more advanced in these issues.

Cutting-edge research is always international and successful groups have always collaborated on an international scale. For further developments this will be intensified. On the other hand, the more the technological development is driven by companies, the less will be available publicly. Countries that support research and invest early in this domain will have an advance when it comes to market corresponding products.

Créditos: IQOQI/M. R. Knabl
Credit: IQOQI/M. R. Knabl

A key question for more than one country is: how could a country develop and create a viable ecosystem capable of supporting a fast growing quantum technology industry?

Countries with established industries, for example in communication technologies, have an advantage because some infrastructure and key personnel are available. In order to create, support and sustain a growing quantum technology industry, it will be necessary to educate students in the respective areas, especially in the interdisciplinary field that is currently developed: “Quantum engineering”. Moreover, research institutes at universities and at national laboratories need to establish groups that are able to perform cutting-edge research to compete internationally.

What do you know about what is being done right now in Spain and Hispano America on these issues?

I know very little about the situation in these countries. Generally, basic research, mostly on the theory side, is well established in these countries, however, experimental research lacks the infrastructure and the financial backing to be able to catch up and compete at this time.

What working groups do you know?

Many very good groups and too many to be listed here.

How do you see the capacity of our R & D to face these challenges?

The quantum physics basis is there and as said above, the expertise is usually available, however, mostly on the theory side. Experimental efforts are available (in some areas). Thus, the scientific capacity is there. Meeting future challenges in quantum technologies however will require further investments in experimental infrastructure.

As you know, there are Research programmes in some world regions like EUROPE Ex.: EMPIR programme or Quantum flagship that are supporting the developments of quantum technology in order to be leader in the market. In your opinion, how long will it take them to produce marketable applications and products?. And more important what far-ranging changes to society and economics do you expect from the results of this research?

As the European flagship program clearly states: There is still a gap between academic research and the wide applications of quantum technologies. The question can therefore not be answered in simple terms. First, it depends on the respective technologies. For example, quantum communication technologies are sufficiently mature and marketable technologies; they are already available and/or will be made available in the next few years. On the other a hand, quantum computers for a more general use will become only available after further technological developments. For the programs to be efficient, it is required that (academic or other) research institutes work closely together with industrial partners.

The far-ranging changes to society and economics are enormous and could not possibly be summarized here. As an example, consider the development of the laser in 1960, consider its impact on todays technology and think about the changes it has brought since then. Quantum technologies will even have a wider impact.

Every industrial revolution has needed metrology as a necessary support for its development. In this quantum revolution, is a quantum metrology also necessary?

As pointed out, every technology needs intense research and support to be sustainable. Standards labs, which are usually the national metrology labs, define, observe and guarantee the standards; they calibrate devices to certify and ensure quality standards. Therefore, for the 2nd quantum revolution, it will be imperative to have such standards and therefore the respective metrology labs.

If so, what are the most critical and necessary metrological aspects for the development of this quantum revolution? What contemporary metrological field you think it should devote more resources and effort related to quantum technology?

For the quantum technologies being developed in the four areas focused on by the flagship program, we need standards in various ways. First and foremost, with the new definition of the fundamental constants based on quantum physics, quantum metrology on the respective fields is imperative. Special consideration is given here to atomic clocks, which provide the most precise tool today for all measurements.

For quantum communication, standard protocols need to be defined and agreed upon internationally. Devices have to be tested and calibrated, entanglement has to be measured and quantified.

For quantum simulations and quantum computations, standard tests for verification and validation have to be provided. This ensures that devices can be compared and evaluated across platforms. This is very similar to all classical metrological devices, for which the standards labs usually provide the metrology service.

Standards labs, define, observe and guarantee the standards, they calibrate devices to certify and ensure quality standards. Therefore, for the 2nd quantum revolution, it will be imperative to have such standards and therefore the respective metrology labs.
Créditos: IQOQI/M. R. Knabl
Credits: IQOQI/M. R. Knabl

Quantum metrology research promises approaches to build new sensors that achieve the ultimate level of precision measurement and perform fundamentally better than modern sensors. In small and medium National Metrology Institutes we worry about how to focus on this next generation of the metrology in relation to the needs of development of new standards and the need or not of traceability of these new sensors.

I am personally not very familiar with the notion of traceability. Quantum enhanced sensors per se offer a better precision or better signal-to-noise ratios; however, they will need in most cases still a calibration.

Can you give us your opinions and some advises about how to face this challenge and design an overall strategy to be developed by the national metrology institutes?

Metrology institutes need to gather and to make sure that they have a common understanding of what their role should be in making sure that they can validate, verify and eventually calibrate quantum devices, such that industry knows the rules under which they can manufacture and finally sell their quantum machines in a fair and competitive way.

At a time of economic hardship, where many States are tightening budgets and prioritizing certain strategic lines, what actions would you recommend to address the goverment in relation to metrology and particularly with regard to the development of quantum technologies?

Simply, go finance it and invest in the development of such technologies. Make sure, your educational system is up for it, such that there are well enough educated people who can deal with the challenges. Otherwise, you are going to lose.

As you know, the SI is now being redefined based on constants of nature and their realization by quantum standards. Therefore, the underlying physics and technologies will receive increasing interest, and not only in the metrology community but in all fields of science. What can you tell us about the new definitions of basic units of measurement and the new SI?. In your opinion, will it affect significantly the development of science?

The redefinition of the fundamental constants was long planned for and is now timely since it bases every measurement on constants of nature and not any more on artefacts. This ensures a higher precision in the future and more and better reproducibility. Thus, it will be helpful for future development of science, which will further focus on the fundamental constants and the basic interactions in nature.

To finish this interview, could you tell us in what experiments is your research group currently working? Which difficulties do you foresee and which will need to be overcome?

My research group is concentrating on research concerning quantum optics and quantum information with trapped ions. In quantum optics we investigate the interaction of single photons with single atoms at a fundamental level; for quantum information purposes, we use strings of trapped ions as quantum bits, which are manipulated with focused laser beams. With such a device, we have built two quantum computers, which are currently used for quantum information processing with 14 and 20 qubits, respectively, as well as for quantum simulations. For future quantum networking, we have developed an interface with which we can transfer the quantum information stored in an atomic qubit to a photonic qubit, using a cavity QED experiment. For quantum metrology, we use a single trapped Al+ ion as a frequency reference, which is optically cooled and measured by quantum logic spectroscopy, using a Ca+ ion confined in the same trap. All in all, our research efforts are centred around basic research in the corresponding fields and the development of quantum technologies for all the relevant fields of future applications.

What is the importance for the future of these works and possible achievements?

As mentioned above, we are carrying out basic research at an academic level for both the development of new technologies and the education of a future generation of quantum physicists and engineers, who are then able to develop future applications. One of the best achievements that we could get would be the realization of a scalable quantum computer, which requires the implementation of quantum error correction to keep the qubits alive for the time of their employment (for quantum metrology, quantum simulations and quantum computations).

Fields of application.

Mentioned above: quantum communication, quantum metrology (especially time and frequency standards), quantum simulators (analogue and digital) and eventually, quantum computation.

What about metrological applications?

All of fields above require precision measurements, in particular for time- and frequency standard applications. But also, quantum simulators (especially their verification and validation) require metrological work and, of course, quantum computers will have an enormous impact on metrology since they allow the full control of quantum coherences (at will), which allow for tailored states and quantum systems for all kind of specific measurements.

Precision ion trap for quantum metrology. Credit: IQOQI/M. R. Knabl.
Precision ion trap for quantum metrology. Credit: IQOQI/M. R. Knabl.

Prof. Blatt, we thank you for your kindness to the readers of e-medida and wish you the best in your current and future research.

e-measure is extremely grateful for the kindness of Prof. Blatt, and for the time and consideration which he has given us, including providing photos of great level and technological impact, included in this interview.

Also, e-measure thanks the time and support of Prof. Miguel Ángel Martin-Delgado, traveling to Innsbruck to make and get in person this interesting interview with Prof. Blatt.

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