viernes, 6 de septiembre de 2013

Caos y control en el mundo cuántico

DIALOGO CON DIEGO WISNIACKI, DOCTOR EN FISICA, FCEN CONICET


La mecánica cuántica puede ser antiintuitiva y bizarra, pero es la teoría física más exitosa. En ese mundo extraño se intenta el control de los sistemas y también averiguar el lugar del caos, para desarrollar tecnología.

–Cuénteme en qué se especializó.
–Hoy en día, mis dos líneas de trabajo son el control cuántico y el caos cuántico.
–Empecemos por el control, que resulta más tranquilizador. ¿Qué es? –Lo que yo trato es de establecer recetas o procedimientos para regular el comportamiento de un sistema cuántico. La idea es ver cómo hacer para que ese sistema haga lo que uno quiere que haga y termine en el estado que uno está buscando.
–¿Cómo son esos sistemas? –Pueden ser desde un ion, un electrón, una juntura de Josephson. Cualquier sistema de propiedades cuánticas. Nosotros hace un tiempo diseñamos un método de control que funcionaba muy bien para sistemas aislados. Pero el problema con los sistemas cuánticos es que muchas veces no son sistemas aislados, y el hecho de no ser aislados les saca las propiedades cuánticas. Entonces la pregunta principal que tratamos de responder es cómo hacer para que ese método que parecía tan universal y funcionaba en un montón de situaciones, funcione en una situación más realista. Y lo que encontramos es que la mejor manera era hacerlo muy rápido, para que el entorno actuara lo menos posible.
–¿A qué se refiere con que un sistema cuántico haga lo que uno quiera? Deme un ejemplo. –Interactuar, por ejemplo. Agarrar un electrón e iluminarlo con láser, o agarrar una trampa de iones e iluminarlos con un láser para que ese sistema termine en el estado en que uno quiere. Esto es fundamental en problemas de tecnología cuántica: uno lo que quiere es que el sistema opere de determinada manera, y eso es lo que busca con el sistema de control cuántico.
–¿Qué es un sistema de información cuántica? –Es un sistema de información que usa las propiedades de la mecánica cuántica.
–¿Por ejemplo? –La criptografía cuántica consiste en usar la mecánica cuántica para transmitir información, y se ha visto que es mucho más segura que los métodos clásicos de criptografía. Y de hecho hoy por hoy existen aparatos que usan fotones que están entrelazados. Usando esa propiedad, es muy fácil detectar si un espía se metió en el medio. Pero el problema de todos esos sistemas, el problema fundamental, es la decoherencia, o sea, la pérdida muy rápida de las propiedades cuánticas. Lo que tratamos de ver es cómo preservar ese sistema de la decoherencia. Ahora hay ideas de usar el entorno a favor. Nosotros teníamos un método que funcionaba bien pero que –nos dimos cuenta– era medio lento. Encontramos entonces una manera de hacerlo rápido, y no sólo rápido, sino de la manera más rápida que permite la mecánica cuántica. En la mecánica cuántica, si uno quiere pasar de un estado a otro hay una cosa que se llama quantum speed limit: no se puede hacer a una velocidad más rápida que ésa. Nuestro método está dentro de ese límite, y supongo que en algún momento, en el futuro, encontraremos una mejor manera. Hay gente que propone, por ejemplo, hacerle cosas al entorno para aprovecharlo; nosotros lo que hicimos fueron cosas sobre el sistema.
–¿Y su otra línea de trabajo? –Es la principal, que tiene que ver con el caos cuántico. El caos es una propiedad clara en la mecánica clásica: hipersensibilidad a las condiciones iniciales que hace que los sistemas sean impredecibles y que el caos sea la fundamentación de la termodinámica y de la mecánica estadística. Ahora... ¿qué pasa en la cuántica? En la cuántica, la ecuación fundamental de Schrödinger es lineal, y la no linealidad que necesita el caos no existe. Pero una teoría es el límite de la otra, de modo que la pregunta es: ¿cómo se manifiesta el caos en la mecánica cuántica?
–¿Cómo? –Esa fue la pregunta inicial, la pregunta de la que se partió. Se encontraron muchas manifestaciones, por ejemplo, en la estadística de los niveles. Los niveles de energía en un sistema cuántico son discretos. Entonces: ¿cómo se distribuyen esos niveles? Si el sistema es caótico, clásicamente, es de una manera y, si no, es de otra. Esa es una manifestación. Una cosa que nosotros hicimos hace unos años fue probar qué pasaba si uno perturbaba un sistema. Si el sistema es caótico, le pasa algo que es universal. La manera de reaccionar de un sistema caótico ante perturbaciones es universal. Todos los sistemas reaccionan de la misma manera. La que yo creo que es la pregunta fundamental hoy en el tema de caos cuántico es que se está empezando a pensar cómo juega el caos en los sistemas de muchos cuerpos. Los desarrollos fueron mayormente hechos, hasta ahora, para sistemas de una partícula. La pregunta de cómo juega el caos en la termalización, proceso por el que las partículas alcanzan el equilibrio térmico mediante la interacción entre ellas, de los sistemas cuando éstos son cuánticos es fundamental, no sólo a nivel teórico, porque hoy en día se hacen redes ópticas donde se meten partículas y se las hace interactuar. Hoy se hacen experimentos con muchas partículas y se las termaliza. Ver cómo juega ahí el caos es una pregunta fundamental.
–¿Y esto está llegando a la práctica? –Hacer experimentos de muchos cuerpos es una tecnología que hoy se hace en muchos laboratorios: hacer cadenas de iones, por ejemplo, y hacerlas interactuar, iluminando un ion con un láser por ejemplo, es una tecnología no corriente pero sí muy usada.
–Explique un poco qué es la mecánica cuántica. –Es la teoría más exitosa de la ciencia de los últimos cien años. Explica el comportamiento del mundo microscópico y, fundamentalmente, es absolutamente antiintuitiva y bizarra.
–¿Por qué? –Bueno, por poner sólo un ejemplo, la idea que uno tiene de que las partículas tienen su trayectoria en mecánica cuántica no pasa. Otra cosa rara es la famosa dualidad onda-partícula, o el entrelazamiento de partículas.
–El entrelazamiento de partículas... eso no podría transmitir información, ¿no? –No. No transmite información, de hecho.
–¿Qué es el entrelazamiento? –Uno tiene dos partículas, y las puede poner en un estado cuántico en el que están “entrelazadas”: las propiedades de cada una implican cosas sobre la otra, que no es lo que uno está acostumbrado en el mundo clásico. En el mundo clásico, si yo tengo la conjunción de una partícula roja y una verde, no dejo de tener una partícula roja y una verde, conjuntas; en el mundo cuántico tengo algo nuevo rojo y verde al mismo tiempo. Y si uno mide una, perturba la otra y viceversa.
–¿Tiene algo que ver todo esto con las computadoras cuánticas? –Están íntimamente relacionadas, porque finalmente un cómputo cuántico es una operación cuántica: agarra un sistema en un estado y lo transmite en otro. El sistema evoluciona de la manera que uno quiere, uno observa el sistema y obtiene el resultado. Eso finalmente es controlar el estado del sistema. Para hacer una computadora cuántica, uno tiene que poder inicializarla, y para poder inicializarla se tiene que poder controlar el sistema.
–Las computadoras cuánticas están en el candelero hace mucho tiempo, ¿no? Pero no parece avanzar demasiado la cosa. –Bueno, no sé si vamos a llegar a tener en nuestras casas computadoras cuánticas. Hoy por hoy eso no se puede predecir: somos cautos. Efectivamente hubo un crecimiento muy rápido del control de las tecnologías cuánticas, pero todavía no se logró ninguna tecnología que cumpla con todos los criterios. Ahora, lo que está empezando a aparecer son tecnologías que conectan diversas tecnologías, valga la redundancia. Por ejemplo, una trampa de iones donde uno hace el cálculo, que se envía a través de fotones, y esa información se guarda en otra tecnología. Y me parece que eso es lo que se está trabajando hoy: en la conexión de distintas tecnologías.