España consigue un hito en la simulación cuántica. Un equipo del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona ha creado el primer procesador cuántico analógico del mundo. Este invento permitirá profundizar en las propiedades microscópicas de los materiales, siendo capaz de detectar átomos individuales de gases cuánticos de estroncio. Esto significa que funciona como un microscopio capaz de detectar cada uno de los átomos.

El grupo de científicos, dirigido por la investigadora Leticia Tarruell, lo ha bautizado con el nombre de Quione, llamado así en honor a la diosa griega de la nieve, y prevé que, con este nuevo instrumento, se puedan "simplificar y resolver problemas que los ordenadores actuales no son capaces de solucionar".

"La simulación cuántica puede reducir sistemas muy complicados a modelos más simples para después comprender preguntas abiertas que los ordenadores actuales no pueden responder, como por qué algunos materiales conducen electricidad sin pérdidas incluso a temperaturas relativamente altas", ha explicado Tarruell. Entre las bondades de la tecnología cuántica se encuentran comunicaciones más seguras, la detección temprana de enfermedades o la creación de nuevos fármacos, avances donde la computación binaria no es capaz de dar resultados.

¿Qué es Quione?

Los microscopios de gases cuánticos han demostrado ser potentes herramientas para lograr comprender los sistemas cuánticos a nivel atómico. Estos dispositivos producen imágenes de los gases con alta resolución y, así, poder detectar cada uno de los átomos en el gas.

Sin embargo, hasta ahora estos microscopios se han centrado en átomos alcalinos, como el litio y el potasio, una opción más simple. Frente a ellos, los átomos alcalinotérreos como el estroncio "ofrecen más ingredientes con los que jugar", explica el ICFO. Este elemento se ha hecho muy popular por las aplicaciones en computación y simulación cuánticas que admite, de ahí su elección para este proyecto.

Así nació Quione, cuya singularidad radica en que el equipo español ha logrado llevar el gas de estroncio al régimen cuántico y colocarlo en una red óptica donde los átomos pueden interactuar por colisiones. La escena creada se observa con detalle, átomo a átomo a través del primer microscopio de gas cuántico de estroncio del mundo.

"Es un momento muy emocionante para la simulación cuántica", comparte la profesora ICREA Leticia Tarruell. "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".

¿Cómo se ha desarrollado?

El equipo catalán primero se encargó de reducir la temperatura del gas de estroncio. Esto se consigue utilizando la fuerza de varios rayos láser que bajan la velocidad de los átomos hasta quedar casi inmóviles, un punto en el que la temperatura se acerca casi al cero absoluto. Es entonces donde las cualidades cuánticas aparecen, como la superposición y el entrelazamiento cuánticos.

El siguiente paso, tal y como describe Sandra Buob, primera autora del artículo, consiste en colocar a los átomos como en "una huevera". Con la ayuda de láseres especiales se activa la red óptica en la que los átomos se ordenan en una cuadrícula donde acaban interactuando entre sí, a veces experimentando el efecto túnel para moverse de un lugar a otro.

Imagen de los átomos vistos uno a uno en el microscopio cuántico ICFO Omicrono

Llegado a este punto, los investigadores tomaron las imágenes con su microscopio, observando átomo a átomo en el gas cuántico. Está dinámica imita la de los electrones en ciertos materiales, por eso el invento puede facilitar el estudio y simulación cuántica tan necesario.

El nuevo simulador cuántico Quione se ha desarrollado en el marco del programa homónimo del ICFO que tiene como objetivo la construcción de ordenadores cuánticos basados en átomos ultrafríos, ideales para descubrir nuevos comportamientos cuánticos. Además del procesador cuántico, el programa incluye el microscopio de gases cuánticos y un procesador híbrido analógico-digital llamado Quione II, actualmente en fase de construcción.