Científicos del CONICET y una técnica pionera para detectar señales imperceptibles del mundo cuántico

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El avance logrado por científicos del CONICET podría abrir las puertas para optimizar imágenes de diagnóstico biomolecular o explorar fenómenos físicos fundamentales aún desconocidos

Representación esquemática de un espín cuántico usado como sensor para ‘escuchar’ su entorno atómico, que puede ser dinámico y caótico, como un río turbulento lleno de remolinos. Crédito: Kuffer, M., Zwick, A. & Álvarez, G. A.

A diferencia de la percepción que tenemos los humanos de los objetos de la vida cotidiana, que -supuestamente- ocupan posiciones y trayectorias bien definidas, y todo parece seguir un orden lógico, el mundo cuántico es un ámbito complejo habitado por partículas invisibles que pueden estar en varios lugares a la vez e interactuar entre sí de manera impredecible.

¿Y si vivimos en un mundo cuántico y no lo hemos advertido?

Para estudiar lo que ocurre en este universo invisible y caótico, especialistas del CONICET en física cuántica desarrollaron una técnica innovadora que abre simultáneamente posibilidades en varios campos, como el diseño de tecnologías cuánticas más estables, la optimización de imágenes médicas o la exploración de fenómenos de la física. Este nuevo método, presentado en la revista especializada PRX Quantum, permitiría, a partir de la utilización de sensores hechos con átomos ultrasensibles, “escuchar” el ruido cuántico; es decir, detectar modificaciones en el entorno cuántico y entender cómo funciona este universo invisible.

“Uno de los desafíos más difíciles de la física moderna es entender cómo se comportan los sistemas muy pequeños. Este avance puede tener impacto en múltiples áreas de las tecnologías cuánticas y biomédicas. Nuestro método permite hacer algo distinto: usar sensores cuánticos para detectar en tiempo real si el entorno cambia, si aparecen señales no clásicas o si ocurre algo inesperado. Esto puede aplicarse, por ejemplo, para estudiar procesos biológicos en acción: cómo reacciona una molécula dentro de una célula, cómo cambia una proteína durante una señal química, o cómo se inicia una enfermedad a nivel molecular”, explicó Gonzalo Álvarez, investigador del CONICET en el Instituto en Nanociencia y Nanotecnología (INN, CONICET-CNEA) y uno de los autores del artículo. “Detectar esos cambios en tiempo real, uno por uno, podría ayudar a desarrollar mejores diagnósticos, tratamientos más tempranos o medicamentos que se ajusten con precisión a los procesos reales del cuerpo”, añadió.

Martín Kuffer, Gonzalo Álvarez y Analía Zwick, autores del trabajo. Crédito de la imagen: Zwick, Álvarez & Kuffer

También podría aplicarse en otros contextos, como “mejorar la estabilidad de las computadoras cuánticas, que hoy son extremadamente sensibles al ‘ruido cuántico’ de su entorno. (Porque) si logramos caracterizar mejor ese ruido, podríamos diseñar nuevas estrategias para controlarlo y avanzar hacia dispositivos más confiables y útiles”. Asimismo, Álvarez resaltó que esta técnica permitirá explorar fenómenos fundamentales de la naturaleza, “como el caos cuántico o la ruptura de la simetría del tiempo, en condiciones reales y no ideales de laboratorio”.

¿Y si el Universo no es un caos y aún seguimos sentados en la caverna de espaldas al verdadero Sol?

Átomos como sensores
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Para comprender el entorno cuántico y lograr detectar señales imperceptibles, transformaron un fenómeno sutil en una señal medible. “Usamos átomos que viven en ese mundo cuántico y los controlamos cuidadosamente para convertirlos en sensores. Los llamados sensores cuánticos son sistemas diminutos capaces de captar señales casi imperceptibles, como si fueran micrófonos ultrasensibles a escala atómica. Con ellos, logramos detectar cómo se comporta el entorno que los rodea, en especial cuando ese entorno se vuelve impredecible o ‘fuera de control’, como un río que se desborda y se llena de remolinos”, explicó Álvarez.

Analía Zwick, también investigadora del CONICET en el INN, afirmó que “nuestro trabajo abre una nueva vía para explorar ambientes cuánticos complejos que, hasta ahora, eran difíciles o imposibles de caracterizar”. Describió el mundo cuántico como un lugar donde las partículas “interactúan como si estuvieran bailando, con música impredecible y con coreografías que desafían toda intuición”. En relación a los próximos pasos a seguir comentó que “queremos profundizar el estudio del desorden cuántico, entender cómo distintas formas de caos y ruptura de simetría temporal afectan el comportamiento de los sensores, y cómo podemos usar esa información para hacer nuevas preguntas sobre el tiempo, la irreversibilidad y el comportamiento colectivo de partículas cuánticas”.

Finalmente, el equipo de investigación subrayó el aporte de la ciencia argentina con impacto global. “Tenemos una motivación profunda, contribuir al desarrollo de tecnologías cuánticas desde Argentina. Creemos que, desde aquí, podemos generar conocimiento original y soluciones innovadoras para desafíos globales, demostrando que es posible hacer ciencia de frontera con impacto internacional desde nuestro país”, opinó Zwick. En ese sentido, están desarrollando colaboraciones con grupos líderes en tecnologías cuánticas a nivel internacional, que incluyen “proyectos que apuntan a implementar estas herramientas en escenarios reales sobre avances en imágenes biomoleculares y diagnóstico temprano a escala atómica. Estas alianzas fortalecen nuestra capacidad de llevar la ciencia desde el laboratorio hacia aplicaciones concretas”, concluyó la científica.

Cita
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El estudio Sensing Out-of-Equilibrium and Quantum Non-Gaussian Environments via Induced Time-Reversal Symmetry Breaking on the Quantum-Probe Dynamics (Detección de entornos fuera de equilibrio y cuánticos no gaussianos mediante ruptura de simetría por inversión temporal inducida en la dinámica de sonda cuántica) fue publicado en la revista PRX Quantum. Autores: Martín Kuffer, Analía Zwick & Gonzalo A. Álvarez. Quienes pertenecen al Centro Atómico Bariloche, National Scientific and Technical Research Council (CONICET), National Atomic Energy Commission (CNEA), San Carlos de Bariloche 8400, Argentina. El Instituto de Nanociencia y Nanotecnología, también de la CNEA y el CONICET en la sede San Carlos de Bariloche, así como al Instituto Balseiro, CNEA, Universidad Nacional de Cuyo, San Carlos de Bariloche.
El artículo Desarrollan una técnica pionera para detectar señales imperceptibles del mundo cuántico, publicado en el sitio web del CONICET fue elaborado por el Área de Comunicación CONICET Patagonia Norte. ¡Muchas gracias!