José Tadeu Arantes para Agencia FAPESP (Brasil).
Investigadores del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP) lograron, por primera vez en Brasil, atrapar iones fríos en una trampa, utilizando únicamente campos eléctricos para mantener átomos con carga eléctrica confinados en una región muy pequeña del espacio.
El experimento, realizado con iones de estroncio, representa un primer paso para el desarrollo en el país de una de las principales plataformas utilizadas en la computación cuántica.
El Programa QuTIA
El experimento fue liderado por Amilson Rogelso Fritsch, Joven Investigador apoyado por la FAPESP en el marco del Programa QuTIa, sigla de Quantum Technologies Initiative. Los resultados se obtuvieron apenas 18 meses después del inicio del proyecto.
“Como los iones poseen carga eléctrica, pueden ser atraídos o repelidos por campos eléctricos. Nuestra trampa genera fuerzas capaces de impedir que escapen en cualquier dirección. Esto se logró mediante un campo eléctrico que oscila a aproximadamente 18 megahercios, es decir, 18 millones de veces por segundo. La oscilación es tan rápida que los iones simplemente no consiguen acompañar los sucesivos cambios del campo. El efecto promedio de las fuerzas mantiene las partículas confinadas y alineadas en el eje central de la trampa”, describe Fritsch.
El sistema empleado se denomina “trampa de Paul”. Recibió este nombre en homenaje al físico alemán Wolfgang Paul (1913-1993), que no debe confundirse con el físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958), uno de los “papas” de la teoría cuántica. En la década de 1950, Paul desarrolló la técnica de confinar partículas cargadas mediante campos eléctricos oscilantes, lo que le valió, en 1989, el Premio Nobel de Física.
Atrapar Iones, un paso al desarrollo en un nicho tecnológico
Otra estrategia empleada para atrapar iones es la “trampa de Penning”, ya utilizada por el grupo liderado por Claudio Lenz Cesar, profesor de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ). A diferencia de la trampa de Paul, la trampa de Penning no se basa en campos eléctricos oscilantes, sino en un campo eléctrico estático asociado a un campo magnético.
“Nuestro experimento, basado en la trampa de Paul, comienza con átomos neutros de estroncio, a cada uno de los cuales se le extrae un electrón mediante haces de láser, produciendo iones positivos. Estos se colocan en una cámara de ultraalto vacío. Esto es fundamental, porque las colisiones con moléculas del aire podrían expulsarlos de la trampa o perturbar los delicados estados cuánticos que se pretende controlar. Los electrodos que forman la trampa se encuentran dentro de la cámara, aunque el conjunto funciona a temperatura ambiente”, informa Fritsch.
La trampa de iones
La trampa fue construida íntegramente en Brasil e instalada en un laboratorio del IFSC-USP. La expectativa es avanzar desde la captura de los iones hasta su manipulación como bits cuánticos, o qubits, y realizar las primeras operaciones de procesamiento cuántico en los próximos meses.
“Ahora, con el éxito en el atrapamiento de iones, la investigación brasileña está en el mapa. Este es uno de los hardware necesarios para el desarrollo de la computación cuántica”, afirma con entusiasmo el físico Vanderlei Bagnato, profesor titular del IFSC-USP y coordinador del Centro de Investigación en Óptica y Fotónica (CEPOF), que hasta junio fue un Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID, por sus siglas en portugués) apoyado por la FAPESP.
Computación cuántica en un país que apuesta a la inversión en I+D
La computación cuántica puede implementarse mediante diferentes plataformas físicas. Entre las más desarrolladas se encuentran los circuitos superconductores y los iones atrapados. En este último caso, el propio átomo ionizado funciona como soporte físico de la información. Estados internos bien definidos del ion pueden representar los valores 0 y 1 y, gracias a las propiedades de la mecánica cuántica, también las posibles superposiciones de estos dos estados. Varios iones pueden, además, entrelazarse, permitiendo operaciones que no tienen un equivalente directo en las computadoras convencionales.
El entrelazamiento hace que dos o más qubits pasen a compartir un único estado cuántico, de modo que las operaciones realizadas sobre uno de ellos modifiquen la configuración del conjunto. Este recurso puede utilizarse para construir puertas lógicas, elementos fundamentales en cualquier procesamiento computacional.
Computación cuántica
La computación cuántica puede implementarse mediante diferentes plataformas físicas. Entre las más desarrolladas se encuentran los circuitos superconductores y los iones atrapados. En este último caso, el propio átomo ionizado funciona como soporte físico de la información. Estados internos bien definidos del ion pueden representar los valores 0 y 1 y, gracias a las propiedades de la mecánica cuántica, también las posibles superposiciones de estos dos estados. Varios iones pueden, además, entrelazarse, permitiendo operaciones que no tienen un equivalente directo en las computadoras convencionales.
El entrelazamiento hace que dos o más qubits pasen a compartir un único estado cuántico, de modo que las operaciones realizadas sobre uno de ellos modifiquen la configuración del conjunto. Este recurso puede utilizarse para construir puertas lógicas, elementos fundamentales en cualquier procesamiento computacional.
“Esta capacidad superior no significa que las computadoras cuánticas vayan simplemente a sustituir a las actuales o que sean más rápidas para cualquier tarea. Su gran potencial reside en determinadas clases de problemas para los cuales fenómenos como la superposición y el entrelazamiento pueden aprovecharse computacionalmente. Un ejemplo particularmente importante es la simulación de átomos y moléculas, con posibles aplicaciones en el desarrollo de nuevos materiales y fármacos”, aclara Bagnato.
Sin embargo, para llegar a ese punto, primero es necesario resolver un problema aparentemente elemental: mantener un átomo individual inmóvil y aislado durante el tiempo suficiente para escribir, procesar y leer información en él. “Si no se mantiene de esta manera, no hay forma de utilizarlo como elemento de almacenamiento y procesamiento de información”, resume Bagnato.
Una capacidad que faltaba en Brasil
El resultado también tiene una dimensión relacionada con el desarrollo de capacidades científicas. Brasil ya ha acumulado una experiencia considerable en áreas afines, como el enfriamiento y el atrapamiento de átomos neutros. Sin embargo, según Bagnato, aún faltaba desarrollar en el país la capacidad experimental para trabajar con iones atrapados orientada a este tipo de aplicaciones.
La infraestructura ya existente en el CEPOF fue decisiva para acelerar el trabajo. El grupo de São Carlos cuenta con una larga experiencia en el enfriamiento de átomos y dispone de equipos y conocimientos en óptica, láseres y sistemas de vacío que también son necesarios para trabajar con iones. “La infraestructura que el grupo tiene aquí hace posible que esto ocurra más rápidamente de lo que ocurriría en una universidad que no contara con esta tradición”, afirma Bagnato.
El proyecto comenzó en diciembre de 2024. Gran parte de los primeros 18 meses se destinó a la compra e instalación de los equipos y a la construcción de la propia trampa. El primer resultado concreto fue precisamente la producción y el confinamiento de los iones de estroncio y su observación. Aún no se ha publicado ningún artículo científico sobre el experimento.
Desde la FAPESP (Fundación de Apoyo a la Investigación del Estado de San Pablo) explicaron que el Programa QuTIa es una iniciativa de la FAPESP destinada al desarrollo de capacidades en tecnologías cuánticas. Fritsch recibió el Apoyo a Jóvenes Investigadores (JP) precisamente para implementar en el IFSC-USP esta nueva línea experimental. Según el científico, los resultados son prometedores y se espera una consolidación aún mayor del proyecto, dando inicio a esta nueva área de investigación en la USP.
