Entrevista Profesor Rainer Blatt

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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.

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.

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.

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 .