No es una idea descabellada pensar que la revolución cuántica, en la que la materia cuántica se aprovecha para aplicaciones tecnológicas, es una idea relativamente nueva.
Curiosamente, las discusiones sobre la aparición del comportamiento cuántico en la materia (específicamente el magnetismo) se remontan a los antiguos filósofos griegos alrededor del año 600 a. C., quienes observaron que las piedras imán eran atraídas por el hierro. hasta 12th siglo, esta sorprendente observación puede explotarse en una aplicación: la navegación. Este es un ejemplo temprano de aplicaciones que impulsan el mundo cuántico en nuestro mundo cotidiano.
Si avanzamos rápidamente hasta el día de hoy, somos testigos de una transformación en nuestra capacidad para manipular estos materiales cuánticos a nivel atómico y diseñar su desempeño en los campos del transporte de energía, la detección médica y el procesamiento de información.
Por mucho que importe Agrega materia donde los electrones interactúan y dan lugar a propiedades únicas y emergentes regidas por los principios de la mecánica cuántica. Estos electrones que interactúan exhiben estos comportamientos que, cuando se aprovechan, tienen el potencial de generar aplicaciones novedosas de beneficio directo para la sociedad.
Mecánica cuántica Sirve como marco teórico que describe el comportamiento de estos materiales. La mecánica cuántica fue fundada a principios del siglo XX por algunas de las figuras más importantes de la física teórica, presentando un mundo que era muy diferente de nuestra comprensión de la realidad, donde el mundo atómico estaba impulsado por la incertidumbre más que por la certeza. Si bien comprender este concepto puede plantear desafíos, incluso para los creadores de esta teoría, se ha demostrado mediante experimentos repetidos con una precisión notablemente alta.
Contenido de dosis diaria
¿Dónde podemos encontrar materiales cuánticos en nuestra vida diaria? La respuesta simple está en todas partes. El almacenamiento de datos en nuestras computadoras portátiles, las pantallas dinámicas de nuestros televisores y los imanes superconductores que alimentan los escáneres de resonancia magnética dependen de electrones basados en los principios de la mecánica cuántica.
Por ejemplo, las máquinas de imágenes por resonancia magnética (MRI) se basan en las propiedades cuánticas de un protón, también conocido como núcleo de hidrógeno; más específicamente, dar una vuelta de proteína. El espín es una propiedad de la mecánica cuántica que podemos manipular en un gran campo magnético, algo análogo a una brújula que sigue el campo magnético de la Tierra. Agregar una pequeña cantidad de energía adicional hace que estos giros alineados resuenen. Su resonancia es sensible al campo magnético y el núcleo está excitado. Elimina el exceso de energía y los núcleos se relajan y emiten ondas de radio. Estas son las ondas de radio que luego se utilizan para crear las familiares imágenes de resonancia magnética del hidrógeno en nuestros cuerpos.
Las máquinas de resonancia magnética también requieren un fuerte campo magnético, varios millones de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra. Los campos más altos proporcionan más detalles en las imágenes. Producir este campo con metales convencionales requiere grandes corrientes con altas pérdidas de energía debido al calentamiento eléctrico.
La superconductividad es un fenómeno cuántico en el que los electrones pueden viajar a través de un material sin resistencia y, por tanto, sin sufrir daños. Por lo tanto, los materiales superconductores se utilizan ampliamente en los escáneres de resonancia magnética para proporcionar los campos intensos necesarios con una pérdida mínima. Sin embargo, hasta ahora sólo funcionan a temperaturas extremadamente bajas, por lo que requieren grandes cantidades de energía para mantener estas condiciones de frío. Si se puede aprovechar este fenómeno cerca de la temperatura ambiente, estos materiales cambiarán. Por ejemplo, la transmisión de energía se puede realizar a través de grandes distancias sin pérdidas, y la generación de energía de alta eficiencia y los trenes levitantes de alta velocidad serán los más comunes.
Desafíos de contenido cuantitativo
Muchos fenómenos cuánticos aparecen sólo a temperaturas extremadamente frías, mucho más frías que cualquier cosa que ocurra naturalmente en la Tierra. En consecuencia, transferir estas propiedades deseadas a aplicaciones prácticas es un desafío importante. Las complejas interacciones entre electrones son delicadas y sensibles, debido fácilmente a los niveles de energía que normalmente encontramos a la temperatura. Si somos capaces de superar tales requisitos o diseñar materiales para que funcionen, esto podría desbloquear todo un mundo de aplicaciones. En cierto sentido, estos materiales y aplicaciones simplemente explotan ciertas propiedades de la materia cuántica (Quantum 1.0, por así decirlo).
Quantum 2.0 explotará otras propiedades de los materiales cuánticos, como la superposición y el entrelazamiento. Un campo con gran potencial y creciente atención mediática que explota tales propiedades es la computación cuántica. La computación cuántica busca explotar la «rareza» del mundo cuántico para ofrecer aumentos masivos en nuestras capacidades computacionales. Se espera que las computadoras cuánticas superen con creces a las clásicas en muchas áreas, como la modelización financiera, el descubrimiento de fármacos, la modelización climática, el cifrado de información e incluso la replicación de los propios sistemas cuánticos. Los bits cuánticos superconductores, o qubits, son una de las tecnologías actuales más destacadas en la computación cuántica. Los qubits superconductores tienen la capacidad de existir en múltiples estados, también conocidos como superposiciones, a diferencia de los ‘unos y ceros’ binarios de las computadoras convencionales y utilizan el entrelazamiento para unir estos qubits y acelerar su potencia informática para expandirse.
Hay muchos desafíos para alcanzar estas ambiciones. Los estados cuánticos son frágiles y susceptibles a perturbaciones que pueden alterar su delicado equilibrio, lo que se conoce como decoherencia. Requieren bajas temperaturas, tienen poca tolerancia a errores y son difíciles de escalar al nivel requerido para cálculos complejos. Sin embargo, su gran potencial implica una gran inversión e ilusión. Actualmente se están desarrollando una amplia gama de tecnologías, incluidos los superconductores. Sin embargo, representan sólo una fracción de los materiales que pueden contener la clave para desbloquear todo el potencial de la computación cuántica.
Descubriendo la próxima generación de contenido
Para desarrollar tales materiales, necesitamos una comprensión fundamental de ellos a escala atómica. Ahora sabemos que la piedra imán está compuesta principalmente de hematita, con una fórmula química conocida (Fe2Vaya3). Sabemos dónde se encuentran los átomos que los constituyen, así como sus estructuras magnéticas y electrónicas. Esta profunda comprensión es fundamental si queremos descubrir y diseñar la próxima generación de materiales que puedan utilizarse en beneficio de la sociedad.
Paradójicamente, el estudio de materiales a una escala atómica tan pequeña requiere una gran infraestructura. Un ejemplo de esto es la Fuente de Neutrones y Muones ISIS en Oxford, que utiliza intensos haces de partículas para estudiar materiales a escala atómica y revelar información única sobre su comportamiento. Este conocimiento único y preciso nos permite probar teorías rigurosamente, guiar mejoras de materiales y combinar los grandes conjuntos de datos necesarios para que el aprendizaje automático respalde el descubrimiento de nuevas clases de materiales. En un año, las instalaciones de ISIS brindarán más de mil experiencias únicas. Una ventaja clave de una instalación de este tipo es que, naturalmente, sirve para reunir a una amplia gama de expertos de renombre internacional, que pueden proporcionar nuevos conocimientos fundamentales a través de las aplicaciones de estos materiales cuánticos.
El aumento del interés y la inversión en materiales cuánticos ofrece una visión apasionante del futuro: un sistema de almacenamiento y transporte de energía sin pérdidas, electrónica altamente eficiente que consume energía mínima, detección cuántica para atención médica, sólidos eficientes, refrigeración estatal e ilimitada. Potencial de la computación cuántica. Estas tecnologías son fundamentales para las aspiraciones de la sociedad de lograr un crecimiento limpio y una huella de carbono neta cero.
Sean Longridge es director asociado de ciencia en ISIS Neutron and Muon Source.
