High Energy Physics

Newswise — Este otoño, el Premio Nobel de Física fue otorgado a John Clarke, Michel Devoret y John Martinis “por el descubrimiento del túnel cuántico mecánico macroscópico y la cuantización de la energía en un circuito eléctrico”.

En el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), estos galardonados descubrimientos sustentan dos frentes de innovación continua: la investigación fundamental en hardware de computación cuántica y el diseño de dispositivos y métodos ultrasensibles para la búsqueda de materia oscura.

Un premio con vínculos con LLNL

Para el científico de LLNL, Sean O’Kelley, este año el Premio Nobel es algo personal. Antes de unirse al Laboratorio, obtuvo su doctorado bajo la tutela de John Clarke en su laboratorio de Berkeley.

“Cuando comencé en el laboratorio de Clarke, no sabía mucho sobre su trabajo anterior, solo sabía que estaba trabajando en algunos problemas que me resultaban particularmente interesantes. Solo más tarde llegué a apreciar el gran cuerpo de trabajo fundamental ya realizado en ese laboratorio”, dijo O’Kelley. “Los métodos, las tecnologías y los marcos conceptuales que surgieron de los laboratorios de Clarke se han convertido en una especie de ‘ABC’ para cualquiera en su campo e incluso en campos relacionados, y me alegra mucho que esto sea reconocido. El premio fue bien merecido”.

Debido a que los efectos cuánticos se observaron por primera vez en los átomos, es una idea errónea común que los fenómenos cuánticos solo ocurren a las escalas más pequeñas. Los experimentos realizados por los laureados en la década de 1980 demostraron que la cuántica tiene un papel más importante que desempeñar.

“Las palabras clave del premio son ‘macroscópico’ y ‘cuántico’”, dijo O’Kelley. “La idea de lo cuántico está inextricablemente ligada a la idea de lo pequeño en la imaginación de la mayoría de las personas y quizás incluso de la mayoría de los científicos, pero eso es un malentendido. Si las cosas pequeñas son cuánticas y las cosas grandes no, ¿dónde está el límite? No existe. Todo es cuántico, todo el tiempo, a todas las escalas”.

“Este trabajo demostró de una manera real y visceral que la mecánica cuántica es realmente la forma en que funciona el mundo, incluso para las cosas ‘lo suficientemente grandes como para tocar con los dedos’, parafraseando un artículo de 1988”.

La superconductividad revela lo cuántico a gran escala

La clave del trabajo Nobel radicó en la superconductividad, un fenómeno en el que los materiales a temperaturas extremadamente frías conducen la electricidad sin ninguna pérdida de energía. Una corriente eléctrica que fluye alrededor de un anillo de metal superconductor persiste indefinidamente porque no pierde energía en forma de calor.

“Nadie sabía cómo ni por qué funcionaba la superconductividad cuando se descubrió por primera vez, pero ahora sabemos que la resistencia cero es solo un efecto secundario agradable de la parte realmente interesante: los electrones de conducción en un superconductor están haciendo todos lo mismo hasta el nivel cuántico”, dijo O’Kelley.

Los laureados demostraron la existencia de este estado cuántico colectivo con mediciones de circuitos superconductores del tamaño de la palma de la mano.

“Una parte importante de los electrones que se mueven todos en el mismo estado cuántico es la formación de pares estables de electrones llamados ‘pares de Cooper’”, dijo O’Kelley.

Si bien los electrones normalmente se repelen entre sí, los electrones superconductores se emparejan en su lugar. Cuando un electrón viaja a través de la estructura reticular sólida del superconductor a una temperatura lo suficientemente fría, tira de los átomos cargados positivamente hacia él, creando una especie de estela. El siguiente electrón en la fila ve la carga positiva que ha sido desplazada y se acerca a ella (y al electrón que la creó). Estos electrones se llaman “pares de Cooper”.

Según las leyes de la física, los electrones no pueden existir todos en el mismo estado exacto, pero los pares de Cooper sí pueden. En todo el superconductor, cada par de Cooper está en el mismo estado cuántico. Debido a esto, todo el circuito está en el mismo estado y actúa como un único objeto cuántico macroscópico.

Este estado cuántico macroscópico causa efectos cuánticos grandes y observables: el campo magnético se cuantifica y los estados vibracionales de un circuito del tamaño de la mano (o más grande) se vuelven discretos, al igual que los estados de energía de un solo átomo.

Los experimentos demostraron el túnel cuántico a escalas del tamaño de la palma de la mano al incluir uniones Josephson en el circuito. Estas uniones crean una barrera, similar a un muro de ladrillos, en el cable superconductor. Las corrientes eléctricas convencionales no pueden cruzar la barrera, pero esta supercorriente cuántica puede tunelizar a través de ella.

Por debajo de un cierto límite de velocidad de corriente, los electrones pasan a través de la pared sin ninguna resistencia. Su estado preferido de corriente finita y sin resistencia ni voltaje es el de la energía más baja. Los electrones naturalmente quieren permanecer en ese estado.

Pero cuando los laureados aumentaron cuidadosamente la corriente, los electrones tunelizaron fuera de este estado de baja energía, saltando a un estado de mayor energía y generando un pulso de voltaje característico. Ese proceso es análogo a cómo un átomo emite un fotón cuando un solo electrón salta entre capas. Un diseño experimental cuidadoso e innovador no dejó lugar para interpretar este efecto como otra cosa que saltos cuánticos en un sistema macroscópico.

Los fundamentos del Nobel a las creaciones de LLNL

Estos hallazgos son los componentes básicos de la computación cuántica superconductora en LLNL. Los bits cuánticos, o qubits, la unidad básica de información en las computadoras cuánticas, se pueden construir a partir de circuitos superconductores con uniones Josephson.

“Con una plataforma superconductora, no estás limitado a los sistemas cuánticos que te da la naturaleza, como los átomos individuales, ahora básicamente puedes hacer que el metal tenga la forma que quieras”, dijo O’Kelley. “Puedes hacer que tus uniones tengan el tamaño que quieras. Puedes hacer que tus bucles tengan el tamaño que quieras. Puedes diseñar los estados cuánticos exactos que necesitas”.

Con el Laboratorio de Diseño e Integración Cuántica (QuDIT), los investigadores de LLNL están aprovechando esa flexibilidad para determinar los materiales, los métodos de fabricación y la infraestructura óptimos para los qubits superconductores que podrían impulsar la próxima generación de computación.

La investigación del Nobel se conecta con ADMX

Los hallazgos ganadores del Premio Nobel también llevaron a avances en el Experimento de Materia Oscura de Axión (ADMX), que comenzó y operó en Livermore de 1996 a 2010. Ahora ubicado en la Universidad de Washington, el experimento y LLNL continúan buscando su objetivo: el axión.

Una partícula hipotética que podría explicar la materia oscura, el axión interactúa principalmente con la gravedad y solo muy débilmente con cualquier otra cosa. Eso hace que sea extremadamente difícil de detectar. Al utilizar un campo magnético extremadamente fuerte, ADMX tiene como objetivo convertir los axiones en fotones medibles. Pero incluso como fotones, su firma será muy, muy pequeña. Para que los científicos lo detecten, deberán amplificarlo, pero cada etapa de amplificación puede agregar ruido.

La tecnología de amplificación original del experimento se basaba en transistores, que tienen un nivel de ruido agregado equivalente a un cuerpo negro de 2 Kelvin. Pero cuanto más alta sea la temperatura, más tiempo deberá escanear el detector un cierto rango de frecuencia en busca del axión.

“John Clarke ideó un nuevo diseño inteligente que pudo básicamente hacer que ese ruido fuera casi cuántico, lo que está más cerca de los 50 miliKelvin en las frecuencias en las que operamos”, dijo Gianpaolo Carosi, científico de LLNL y coportavoz de ADMX. “Realmente se basó en ese artículo fundamental y en el trabajo que realizó con Michel Devoret y John Martinis para poder crear estos dispositivos que fueron fundamentales para ADMX. Habría tomado 100 años hacer el experimento si hubiéramos seguido utilizando la tecnología de transistores”.

El diseño de Clarke, basado en un dispositivo de interferencia cuántica superconductora (SQUID) acoplado a un resonador de microcinta, permitió construir amplificadores en el rango de frecuencia en el que operaba ADMX (gigahertz). Los SQUID en sí están construidos con anillos superconductores con uniones Josephson. Estos dispositivos pueden detectar y amplificar pequeños cambios magnéticos que surgen después de que un axión se convierte en un fotón, lo que los hace indispensables para ADMX.

“El SQUID, porque utiliza la unión Josephson superconductora, proporciona este estado cuántico que es extraordinariamente sensible a los cambios. No disipa casi ninguna energía y eso le permite amplificar mientras agrega una cantidad mínima de ruido”, dijo Carosi.

ADMX ha seguido adelante para escanear frecuencias más altas en busca del axión, lo que requiere una forma diferente de tecnología similar a SQUID. Las características clave, sin embargo, siguen siendo las mismas.

Diferentes en apariencia, misma base científica

O’Kelley enfatizó que si bien estos desafíos, la computación cuántica y la búsqueda de materia oscura, pueden parecer diferentes, comparten la misma base fundamental recién elogiada.

“Creo que esto ha sido digno de un Premio Nobel durante mucho tiempo”, dijo. “Afirma la importancia de la física que subyace a gran parte de lo que estamos haciendo en LLNL hoy”.

Carosi estuvo de acuerdo y agregó que el espacio de aplicación se extiende aún más, a campos como la imagenología cerebral.

“El trabajo que han realizado ha sentado las bases de todos los esfuerzos de computación cuántica basados en superconductores”, dijo. “Y las oportunidades que se derivan de esto son enormes”.