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¿Por qué se dice entre físicos que nuestra realidad concreta es íntimamente la de un fantasma con poderes de bilocación? ¿Es posible tomar una foto espectral de este comportamiento cuántico? ¿Qué hace el microscopio QUIONE para observar cada átomo?

Albert Einstein se mostraba intrigado por las propiedades “fantasmagóricas” de las partículas. Y es que el universo parece más elusivo conforme más tratamos de llegar a su desnudez cuántica.

Pierde coherencia ontológica todo lo que nos rodea visto desde átomos que pueden atravesar paredes, teletransportarse y entrelazarse aunque estén separadas por miles de kilómetros. Sigue siendo una misma trama con nuestro quehacer cotidiano, un mismo proceso universal con el esfuerzo que tomó escribir este artículo y que puede tomarte leerlo.

A la física actual se le exige ayudarnos a recuperar esa coherencia perdida y a instrumentalizar mejor la información. Esto requiere de herramientas precisas para analizar las peculiaridades microscópicas de la materia, un camino tecnológico abierto por los “procesadores cuánticos analógicos”, microscopios de gases que, gracias a su alta resolución, empiezan a ayudar a los investigadores a comprender los sistemas más íntimos de la realidad.

Estos dispositivos producen imágenes que permiten detectar a los átomos individualmente. Aunque son poderosos, apenas vamos en los primeros pasos de una larga macha. Sin embargo, merece ser una noticia internacional un avance como “QUIONE”, un efectivo microscopio de gases cuánticos de estroncio desarrollado en Castelldefels por el Institutito de Ciencias Fotónica, cuyos primeros resultados se dieron a conocer en la revista PRX Quantum.

Con un nombre no solo interesante por honrar a la diosa griega de la nieve, sino que describe su función en términos simples, QUIONE es una “simuladora cuántica” o congeladora de átomos que permite su colocación de distintas maneras, observación individual y fotocaptura. La primera máquina de este tipo en España y una de las mejores del mundo:

La simulación cuántica puede utilizarse para simplificar sistemas muy complejos y entender preguntas abiertas, por ejemplo, por qué algunos materiales conducen la electricidad sin pérdidas incluso a temperaturas relativamente altas.

Este es un buen resumen de la importancia de QUIONE en palabras de la directora detrás de su desarrollo, la profesora Leticia Tarruell. Un proyecto junto a los investigadores Sandra Buob, Jonatan Höschele, Vasiliy Makhalov y Antonio Rubio-Abadal, financiado por el gobierno catalán a través de la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados.

La idea base de la simulación cuántica es desenmarañar los sistemas microscópicos buscando algo de claridad sobre el comportamiento complejo de ciertos materiales. Entre otras cosas, este grupo de investigación pudo confirmar que el gas de estroncio se trata de un superfluido, es decir, una estado cuántica de la materia que fluye sin ninguna viscosidad.

Este tipo de microscopios se habían basado, hasta antes de QUIONE, en el litio y el potasio, es decir, en átomos “alcalinos” que, en términos de su espectro óptico, son mucho más simples que si se les compara con el estroncio o los átomos “alcalinotérreos”. Haber llevado a este elemento cada vez más popular al régimen cuántico resulta ideal para la experimentación. El estroncio es perfecto para crear un procesador cuántico que remplace a los ordenadores actuales. Esto ha puesto en manos de la ciencia española una herramienta única en su tipo.  

Como simulador cuántico de cristales reales, QUIONE puede colocar una nube de átomos de estroncio en colisión dentro de una red óptica que los mantiene dispuestos en una cuadrícula a lo largo del espacio, obteniendo imágenes individuales de las partículas. El primer paso es reducir la temperatura casi al cero por escasos milisegundos. Esto reduce la velocidad de los átomos hasta un punto de permanencia casi sin moverse. En palabras de Buob:

Puedes imaginarlo como si fuera un cartón de huevos, donde los sitios individuales son en realidad donde se colocan los huevos. Pero en lugar de huevos, tenemos átomos, y en lugar de un cartón, tenemos la red óptica.

Con la ayuda de láseres especiales, los investigadores activan la red óptica de QUIONE, y pueden observar y fotografiar el gas cuántico de estroncio átomo a átomo, aunque estos nunca permanecen inmóviles, sino dando un salto a un punto reticular próximo. Esta ausencia de inmovilidad absoluta es el denominado “efecto del túnel cuántico”, bien expuesto por Buob:

Es un momento muy emocionante para la simulación cuántica. Ahora que hemos añadido el estroncio a la lista de microscopios cuánticos de gases disponibles, pronto podremos simular materiales más complejos y exóticos. Se espera que surjan nuevas fases de la materia y también esperamos obtener mucha más potencia computacional para utilizar estas máquinas como ordenadores cuánticos analógicos.

Nos encontramos en la línea de salida de un viaje por todo el universo diciendo tres, dos uno en un laboratorio. Son tiempos emocionantes para vivir porque estamos dejamos de exorcizar dudas, evaneciéndonos al entender e identificarnos con la sutileza de la materia.   

 

Imagen de portada: ilustración gráfica de un átomo, Adobe Stock.