Una aplicación útil para un procesador cuántico: La mejora de las mediciones espectroscópicas
El dispositivo puede resolver problemas del mundo real, que no pueden ser resueltos con procesadores estándar
Investigadores de la Universidad de Varsovia han construido el primer procesador cuántico de Polonia y lo están aplicando a la espectroscopia. Han demostrado cómo el procesamiento de la información cuántica puede proporcionar de forma eficaz información sobre la materia oculta en la luz.
Montaje experimental con átomos de rubidio refrigerados por láser, que procesan los datos cuánticos en luz visible (izquierda). Montaje experimental del rayo láser, que programa las operaciones cuánticas realizadas en la luz atrapada dentro de los átomos (derecha).
University of Warsaw
Hace varios años, físicos del Centro de Tecnologías Ópticas Cuánticas y de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia diseñaron y construyeron la primera memoria cuántica de Polonia, que luego se convirtió en un procesador cuántico.
"Nuestro procesador se basa en una nube de átomos fríos. Pueden almacenar y procesar eficazmente la información de la luz", describe el Dr. Michal Parniak, director del Laboratorio de Dispositivos Ópticos Cuánticos.
En un artículo publicado recientemente en "Nature Communications", los estudiantes de doctorado Mateusz Mazelanik y Adam Leszczynski, junto con el Dr. Michal Parniak, demuestran que el dispositivo puede resolver problemas del mundo real, que no pueden resolverse con procesadores estándar; puede utilizarse como parte de un espectrómetro de superresolución.
"Exprimimos toda la información que podemos de los fotones individuales, por lo que la medición resulta muy eficiente", comenta el primer autor, Mateusz Mazelanik.
La luz que nos llega de distintos objetos contiene mucha información, como la materia de la que están hechos esos objetos. Esta información es visible en el espectro luminoso (se puede ver el espectro cuando la luz se dispersa en un prisma).
La luz que nos llega desde una estrella lejana nos informa sobre los elementos de los que está hecha la estrella (así es como sabemos de qué están hechas las estrellas de otras galaxias). Cuando hacemos pasar la luz a través de una solución o una sustancia, podemos determinar de qué está compuesta, es decir, si contiene toxinas. La ciencia que recoge y analiza este tipo de información se conoce como espectroscopia (también conocida como espectrometría). Este campo científico es utilizado a diario por biólogos, físicos, astrónomos, químicos y médicos.
Pero hay una limitación importante en la espectroscopia, conocida como el límite de Rayleigh, que establece que la información de la luz no puede obtenerse con una precisión infinita. Algunas de las señales del espectro, conocidas como líneas espectrales, pueden ser tan similares que los espectrómetros ópticos tradicionales no pueden diferenciarlas.
"Nuestro dispositivo y algoritmo no sólo permiten recoger información de la luz de forma más eficiente, sino que también podrían mejorar la "captación" de información de la luz", afirma el Dr. Parniak. Señala que esta idea podría utilizarse también en las telecomunicaciones, donde se está haciendo imprescindible un almacenamiento y procesamiento de datos más eficiente en la luz.
Aunque ya se ha intentado sortear los límites de la espectroscopia, los investigadores de la Universidad de Varsovia demostraron cómo hacerlo de una forma totalmente no convencional: con el uso de soluciones de la ciencia de la información cuántica. Porque allí donde la física clásica no da abasto, la física cuántica ofrece a veces todo un espectro de posibilidades.
Los físicos de la Universidad de Varsovia han construido un dispositivo que puede alcanzar una alta resolución en espectroscopia (15 kHz, o cuarenta partes por trillón) utilizando una pequeña cantidad de luz de un objeto concreto. "Nuestro espectrómetro supera el límite clásico utilizando 20 veces menos fotones que el hipotético espectrómetro tradicional", afirma Mateusz Mazelanik. "Pero se trata de un logro notable porque un dispositivo clásico con una resolución similar no existe en realidad".
El procesador, construido en la Universidad de Varsovia, utiliza una nube de varios miles de millones de átomos de rubidio enfriados y colocados en un campo de vacío, para realizar los cálculos (los átomos son visibles a simple vista -en la fotografía- un punto rojo en la cámara de cristal violeta del lado izquierdo del dispositivo).
Si los átomos se colocan en un campo magnético y se iluminan con un láser, se pueden controlar para que realicen determinadas operaciones lógicas, como procesar información sobre el espectro de luz con el que se iluminan.
En los cálculos se utilizan efectos cuánticos, por lo que los cálculos en la "nube atómica fría" no sustituyen a los cálculos binarios convencionales, sino que añaden un nuevo nivel de calidad.
"Se nos ocurrió la idea de cómo un procesador cuántico podría utilizarse para resolver problemas concretos en espectroscopia", dice el Dr. Michal Parniak. Y subraya que, hasta este momento, encontrar aplicaciones prácticas para los procesadores cuánticos y diseñar dispositivos como éstos pensando en soluciones únicas no era nada evidente.
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