La computación cuántica trasciende la arquitectura y las leyes de las computadoras clásicas que operan en el modo binario de unos y ceros. Sus fundamentos parten de la naturaleza probabilística del mundo atómico y subatómico, y que rompe con el comportamiento determinista y predecible de nuestro entorno visible y macroscópico. Lo que antes se consideraba atípico, la convergencia de la física cuántica y computación, ahora es una realidad.
El desarrollo de la computación cuántica avanza con velocidad vertiginosa y se escucha con mayor frecuencia en los pasillos tecnológicos. El liderazgo multimillonario de grandes titanes de la industria como IBM, Google, Intel, Honeywell, Microsoft, Amazon avanza la computación cuántica (hardware y software) en paralelo con políticas gubernamentales de inversión robusta y laboratorios académicos a través del mundo en Estados Unidos, China, la Unión Europea, e India. De hecho, la empresa en computación cuántica (IonQ) cotizará en menos de una década en la bolsa de valores estadounidense con una valuación que supera miles de millones.
Para entender cómo influye la velocidad del desarrollo de la computación cuántica en la academia, investigué cómo se han preparado algunos físicos en átomos fríos en Costa Rica. Esta física es una vertical específica dentro de la física atómica moderna de los últimos 30 años. Permite avanzar el entendimiento de átomos a temperaturas sumamente frías. Esta rama es clave para el desarrollo de la computación cuántica, pues hasta el momento, el hardware de la computación cuántica depende de temperaturas sumamente frías. Los bits cuánticos (qubits - quantum bits) mantienen coherencia en los estados cuánticos para procesar y almacenar información en temperaturas cerca a los cero grados Kelvin, es decir en rangos más fríos inclusive que el promedio de la temperatura de 2.73 Kelvin del espacio profundo.
En las últimas dos décadas, se conocen únicamente cinco profesionales con formación o interés en la especialización de física de átomos fríos. Sólo hay dos individuos actualmente con un doctorado en el desarrollo experimental de esta área, Jose Antonio Castro Nieto y Óscar Andrey Herrera Sancho, ambos egresados en física de la Universidad de Costa Rica a inicios del 2000. Sus caminos e historias se bifurcaron hacia Estados Unidos y Alemania, respectivamente, para sus estudios de posgrado. Jose, quien compartió previamente sus perspectivas para otro de mis artículos en Delfino.cr, se desempeña en el sector privado costarricense. Óscar Andrey labora como profesor e investigador de física en la Universidad de Costa Rica.
Tres físicos se suman a la reunión
Tengo curiosidad sobre el estudio de la física de átomos fríos en Costa Rica. Conforme avance la computación cuántica a nivel global, habrá una necesidad creciente de esta rama. Quise reunir a Jose, Óscar Andrey, y a un estudiante del programa de maestría en la UCR, Andrés Chavaría Sibaja.
Mónica: ¿Por qué importa el estudio de la física de átomos fríos?
Jose: La teoría de la mecánica cuántica puede explicar todo tipo de fenómenos y comportamientos a escalas mucho más pequeñas que las microscópicas. En la vida cotidiana, muchas de las manifestaciones cuánticas se ven ocultas porque la temperatura y el movimiento aleatorio causado por la temperatura esconde los efectos cuánticos. Los átomos fríos tienen la ventaja de ser sistemas altamente controlables en los cuales se puede aislar el ruido en el ambiente ocasionado especialmente por la temperatura. Y esto se puede hacer a una escala lo suficientemente grande como para ver estos efectos a nivel macro. Entonces, los átomos fríos son sistemas muy limpios, un estilo de playground, para probar la funcionalidad de los modelos teóricos. Y a partir de esas modelos, se pueden hacer aproximaciones de práctica para la vida real.
Óscar Andrey: La física de átomos fríos se hace famosa cuando se agrupa y trabaja con las dos grandes disciplinas de físicos experimentales y teóricos de física del estado sólido, porque permite la medición con precisión en la frecuencia y el tiempo, y controla con mucha exactitud el movimiento en los niveles cuánticos más bajos. Lo anterior es de gran relevancia para la computación cuántica pues nos permite manipular los estados fundamentales para así alcanzar tiempos de coherencia altos con los qubits y por lo tanto realizar operaciones cuánticas controladas. La física de átomos ultra fríos, por ende, es una plataforma muy buena y con un mayor grado intrínseco de control para estudiar estructuras muy semejantes en la física de estado sólido.
Andrés: La física de átomos fríos nos otorga la capacidad de poder manipular con alta precisión y facilidad los sistemas que nos permite entender a su vez fenómenos cuánticos como la superfluidez, y cómo ocurren interacciones de estructuras con la presencia de otros átomos y campos magnéticos. Nosotros podemos distinguir la reacción de un material, y cómo se puede utilizar su comportamiento, por ejemplo, en el desarrollo de semiconductores y en superconductores. Es decir, en los materiales que transmiten electricidad sin resistencia, y a muy bajas temperaturas. Todos estos estudios son fundamentales para la innovación de hardware en la industria eléctrica, espacial, y muchas más.
Mónica: ¿Cómo inició el interés en ustedes de estudiar esta especialización?
Jose: Mi intención era estudiar nanotubos de carbón cuando me fui a cursar mi doctorado en el exterior en Estados Unidos. En ese momento, eran sumamente populares en la academia. Cambié de dirección gracias a mi tutor que me guió hacia la física experimental de átomos fríos donde podía adquirir capacidades importantes en distintas áreas: electrónica, sistemas de alto vacío, rayos láser, adquisición y manejo de datos, programación, y manufactura de experimentos. Yo quería aprender todas esas habilidades. Luego hubo varios Premios Nobel en los años noventa y en el 2000 que hicieron un boom.
Óscar Andrey: Yo en particular estaba más interesado en estudiar mi doctorado en Alemania. La mecánica cuántica siempre es lo que más me ha fascinado de la carrera. Desde que entré a la carrera, fue siempre lo que quise estudiar. Preguntaba frecuentemente por los experimentos con algún tipo de desarrollo relacionado con la mecánica cuántica. En Costa Rica, nadie los hacía. En una gira de búsqueda de universidades para hacer mi posgrado en Alemania, pude presenciar la medición del tiempo con mucha precisión utilizando los efectos de la mecánica cuántica. Al ser testigo de esos experimentos, nace mi fascinación en esta rama.
Andrés: Yo escogí la carrera de física pensando en hacerme cosmólogo. Luego vino la transición para convertirme en físico experimental porque conocí al profesor Óscar Andrey, y pude profundizar sobre el valor agregado de la física experimental de átomos fríos aplicados al área de átomos sólidos. En la carrera universitaria, si bien uno lleva los cursos de mecánica cuántica como parte de la introducción, en realidad se estudian estos sistemas de átomos ultrafríos de manera superficial. Lo que sí he notado es que muchas personas estudian física al inicio de sus carreras en función de convertirse astrónomos, astrofísicos, y cosmólogos. En mi opinión, estas áreas de la física son las que más se visibilizan. Esto atrae a muchas personas interesadas. Sin embargo, muchos desconocen la amplitud de temas, en particular si se trata de la física experimental. Eso no es algo muy evidente porque no hay mucho público en general.
Mónica: ¿Qué es lo que hace de esta especialización algo particularmente novedoso y atractivo para los jóvenes, pero difícil de llevar a cabo?
Jose: Los experimentos de átomos fríos son sumamente interesantes. Se utilizan rayos láseres y ambientes de ultra alto vacío, componentes que siempre inspiran a la imaginación. Cuando uno se ve expuesto a este tipo de experimentos, inevitablemente crece el entusiasmo en el estudio de esta área. No obstante, la física experimental de átomos fríos es sumamente costosa. Esto hace que sea más difícil en Costa Rica y Latinoamérica. El experimento donde yo trabajaba en Estados Unidos, por ejemplo, había 5 rayos láser de los cuales solamente uno superaba los $250,000.
Óscar Andrey: Definitivamente, los experimentos son sumamente costosos. En Costa Rica, es muy difícil llevar a cabo un experimento porque cuesta millones de dólares. Somos muy pocos capacitados en esto, y ese es el retraso que llevamos. Mucha gente no considera esa disciplina como importante o en competencia a la de física de estados sólidos.
Andrés: Los estudiantes se enteran de esta parte de la física experimental de átomos fríos una vez que avanzan en la carrera. Uno le toma interés a áreas como la física experimental de átomos ultrafríos, cuando se empieza a profundizar en la clase de proyectos que realizan los físicos experimentales en sus laboratorios, y las habilidades que se desarrollan al participar en las investigaciones
Mónica: ¿El futuro del estudio y la popularidad de la física de átomos fríos?
Jose: Pensando en los desafíos de costo, podemos considerar los sistemas de colaboración regional científica. El proyecto SESAME (Synchrotron-light for Experimental Science and Applications in the Middle East), por ejemplo, es un emprendimiento cooperativo de física experimental que inició en el 2017 con varios científicos y gobiernos en el Medio Oriente, y que se basa en el modelo de trabajo de CERN (Organización Europea de Investigación Nuclear). Se desarrolló bajo los auspicios de la UNESCO (Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura) como un eje de diplomacia y cooperación científica que permite ampliar el acceso de conocimientos y equipo de experimentación para hacer ciencia. Me encantaría participar en un experimento compartido de átomos fríos en Centroamérica, e inclusive en la región latinoamericana donde cada país aporta algo.
Óscar Andrey: Por las necesidades que tiene el país, yo veo plausible unir esfuerzos para lograr la donación del equipo de experimentos que se desarrollan en países como EEUU o en Alemania. Frecuentemente, se desechan muchos experimentos como si fueran una máquina. Hay experimentos que se pueden traer a Costa Rica y la región latinoamericana para intentar adaptarlos y estudiar muchas de las preguntas fundamentales desde otra óptica.
Andrés: Quisiera ver un aumento de estudiantes que quieran formarse en esta área. En el corto o mediano plazo, me gustaría tener un grupo centroamericano o latinoamericano de física de átomos fríos. Quisiera ver colaboración propiamente entre los países para coordinar esfuerzos y solventar dificultades. Creo que nuestra región en conjunto puede darle mucho empuje al área.
Conclusiones
La mecánica cuántica revolucionó nuestro entendimiento del mundo y la manera de innovar en todos los sectores de la industria moderna. Prueba de ello es la velocidad con la que avanza la inversión en el desarrollo de la computación cuántica alrededor del mundo. Lo que no avanza con la misma velocidad en Costa Rica, es el estudio y el deseo de enfocarse en las ramas específicas de la física experimental que son idóneas para la computación cuántica. Estimo que esta situación ocurre a través de la región latinoamericana también. De hecho, aunque el costo de la parte experimental de la física de átomos fríos todavía es exorbitante, la pregunta que nos surge a todos es ¿por qué continúa la escasez de físicos teóricos en esta especialización?
En mi reunión con los únicos dos doctores en física experimental de átomos fríos en Costa Rica, y uno de los pocos estudiantes de maestría, aprendí que el proceso de descubrimiento ocurre sobre la marcha. Sucede de manera pragmática y empírica, como aprenden los programadores a desarrollar software, y con la guía de mentores que anticipan algunas de las habilidades necesarias para enfrentar el futuro. Aprovechando estos espacios de diseminación y comunicación como en Delfino.cr, quizás se animen más jóvenes al estudio de la física indispensable para el futuro de la computación cuántica.
Les pregunto, ¿cómo unimos esta brecha existente entre las herramientas y capacidades necesarias para participar de la era cuántica?
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Francisco Rodríguez es diseñador, animador, y director creativo de la ciudad de San José. Creó el arte del banner titulado Tunnel 02 VJ Loop (2020). Desde el 2014 labora con el nombre de su propuesta artística: futuro-primitivo, pues representa la fusión de sus dos técnicas favoritas, el arte tradicional y el digital. Apasionado por la literatura clásica de la ciencia ficción, y los temas de ciencia y tecnologías, Francisco extendió sus observaciones al respecto.
“Me interesan los temas relacionados a la tecnología. Una parte esencial de mis proyectos personales están basados en la ciencia ficción. El trabajo de escritores clásicos como Isaac Asimov o Julio Verne siempre me han parecido muy inspiradores. Así cómo también el trabajo de artistas clásicos de este género como Moebius, Giger, o Roger Dean; o el de ilustradores modernos cómo Beeple, y el anime con obras como AKIRA o Evangelion entre otras.
Creo que los avances tecnológicos y científicos suelen venir a partir de este tipo de inspiraciones de la ficción y viceversa, por lo que considero que el mantener una actitud de curiosidad por temas futuristas o relacionados a la exploración espacial, estimula mucho la imaginación. Considero que el arte contribuye enormemente al desarrollo tecnológico. Una educación que involucre estas disciplinas fortalece capacidades para una sociedad en crecimiento. Me gustaría ver que en el país se involucre más el desarrollo de tecnologías de investigación avanzada y espacial. Considero que hay mucho talento humano en relación a estas temáticas.”
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