Manipular dispositivos cuánticos ha sido como conseguir una nueva superpotencia embriagadora para la sociedad.
Una de las revoluciones más silenciosas de nuestro siglo actual ha sido la entrada de la mecánica cuántica en nuestra tecnología cotidiana. Solía ser que los efectos cuánticos se limitaban a laboratorios de física y experimentos delicados. Pero la tecnología moderna depende cada vez más de la mecánica cuántica para su funcionamiento básico, y la importancia de los efectos cuánticos solo crecerá en las próximas décadas. Como tal, el físico Miguel F. Morales ha asumido la hercúlea tarea de explicar la mecánica cuántica a los laicos en esta serie de siete partes (sin matemáticas, lo prometemos). A continuación se muestra el final de la serie, pero siempre puede encontrar la historia inicial más una página de inicio para toda la serie en el sitio.
El futuro ya está aquí, simplemente no está distribuido de manera muy uniforme. William Gibson
Como constructores de herramientas, solo recientemente hemos podido utilizar la mecánica cuántica. Comprender y manipular los dispositivos cuánticos ha sido como obtener una nueva superpotencia embriagadora: hay tantas cosas que podemos construir ahora que hubieran sido imposibles hace solo unos años.
Encontramos algunas de estas tecnologías cuánticas en los artículos anteriores. Algunos de ellos, como los puntos cuánticos en los televisores, ya se están convirtiendo en algo común; otros, como los relojes ópticos, existen pero siguen siendo muy raros.
Como este es el último artículo de esta serie , me gustaría mirar hacia un futuro cercano en el que es probable que las tecnologías cuánticas infundan nuestra existencia cotidiana. No es necesario ir muy lejos: todas las tecnologías que exploraremos hoy ya existen. La mayoría de ellos todavía son raros, aislados en laboratorios o como demostradores de tecnología. Otros se esconden a plena vista, como la máquina de resonancia magnética en el hospital local o el disco duro que se encuentra en su escritorio. En este artículo, centrémonos en algunas de las tecnologías que no encontramos en artículos anteriores: superconductividad, polarización de partículas y electrónica cuántica.
Al observar estas tecnologías cuánticas, visualicemos cómo será vivir en un mundo donde los dispositivos cuánticos están en todas partes. ¿Qué significará tener conocimientos técnicos cuando el conocimiento de la mecánica cuántica es un requisito previo para comprender la tecnología cotidiana?
Así que tomen sus binoculares y veamos las tecnologías cuánticas que se acercan a la siguiente cresta.
Superconductores
En un cable conductor normal, puede conectar una batería y medir qué tan rápido se mueven los electrones a través de él (la corriente, o el número y la velocidad de los electrones). Se necesita algo de presión (voltaje) para empujar los electrones y, al hacerlo, se libera algo de calor; piense en el brillo rojo de las bobinas en un calentador de habitación o secador de pelo. La dificultad de empujar los electrones a través de un material es la resistencia .
Pero sabemos que los electrones se mueven como ondas. A medida que enfría todos los átomos de un material, el tamaño de las ondas de electrones que transportan la corriente eléctrica aumenta. Una vez que la temperatura desciende lo suficiente, esta ondulación puede pasar de ser una sutileza molesta a la característica definitoria de los electrones. De repente, las ondas de electrones se emparejan y se mueven sin esfuerzo a través del material; la resistencia cae a cero.
La temperatura a la que se apodera de la ondulación de los electrones depende del cristal en el que se encuentren, pero siempre hace frío, lo que implica temperaturas a las que los gases como el nitrógeno o el helio se vuelven líquidos. A pesar del desafío de mantener las cosas tan frías, la superconductividad es una propiedad tan asombrosa y útil que la estamos usando de todos modos.
Electroimanes. El uso más extendido de la superconductividad es para los electroimanes en las máquinas de resonancia magnética (IRM). Cuando era niño, es posible que haya hecho un electroimán enrollando un cable alrededor de un clavo y conectando el cable a una batería. El imán en una máquina de resonancia magnética es similar, ya que es solo una gran bobina de alambre. Pero cuando tiene ~ 1000 amperios de corriente fluyendo a través del cable, mantener el imán funcionando se vuelve costoso . Normalmente terminaría pareciendo el calentador de espacio más grande del mundo.
Entonces, la respuesta es usar un cable especial y enfriarlo en helio líquido. Una vez que sea superconductor, puede enchufarlo a una fuente de alimentación y aumentar la corriente (esto demora entre 2 y 3 días; hay un excelente video de cómo enchufar un imán de resonancia magnética ). Luego desenchufa el imán y se aleja. Como no hay resistencia, la corriente seguirá fluyendo mientras mantenga frío el imán. Cuando un hospital instala una nueva resonancia magnética, el imán se enciende cuando se instala, luego se desenchufa y se deja encendido por el resto de su vida.
Si bien las máquinas de resonancia magnética son los ejemplos más visibles, los imanes superconductores son bastante comunes. Cualquier buen laboratorio o departamento de química tendrá varios imanes superconductores en sus máquinas de resonancia magnética nuclear (RMN) y espectrómetros de masas. Los imanes superconductores se alinean a 18 km del Gran Colisionador de Hadrones y aparecen de otras formas en los departamentos de física. Cuando teníamos un proyecto muy reducido, buscamos un imán superconductor del callejón de almacenamiento detrás de mi laboratorio y lo restauramos. Los físicos reciben catálogos brillantes de los fabricantes de imanes superconductores.
Lineas de transmisión. La siguiente aplicación obvia es estirar un cable superconductor y usarlo para transportar electricidad. Hay varios proyectos de demostración en todo el mundo que utilizan líneas eléctricas superconductoras. Como ocurre con la mayoría de las aplicaciones industriales, solo es cuestión de encontrar casos en los que el rendimiento de un superconductor valga su elevado precio. A medida que baja el precio, las líneas de transmisión superconductoras de larga distancia pueden volverse cruciales a medida que agregamos más energía solar y eólica renovable a la red; poder enviar energía sin pérdidas a largas distancias puede igualar las variaciones locales en la producción de energía renovable.
Generadores y motores. Si tiene imanes superconductores increíblemente fuertes, querrá usarlos en generadores y motores eléctricos. El enfriamiento, como siempre, es un problema, pero los imanes mucho más fuertes pueden hacer que los motores / generadores sean significativamente más pequeños y más eficientes. Esto es particularmente atractivo para las turbinas eólicas (peso reducido en la torre) y accionamientos eléctricos para barcos y aviones (peso reducido y eficiencia mejorada).
Partículas polarizadas
En el último artículo jugamos mucho con fotones polarizados. Pero la polarización también es una propiedad inherente de la mayoría de las otras partículas fundamentales. Mientras que los fotones obtienen polarizaciones opuestas cuando gira el polarizador 90 ° (vertical frente a horizontal), los electrones, protones y neutrones se polarizan de manera opuesta cuando gira el polarizador 180 ° (hacia arriba o hacia abajo). Si una partícula es introvertida o extrovertida está estrechamente relacionado con sus características de polarización. (La polarización a 90 ° y 180 ° no son las únicas posibilidades; partículas como los gravitones están polarizadas de manera opuesta a 45 ° y el bosón de Higgs no tiene polarización en absoluto).
Las máquinas de resonancia magnética funcionan polarizando los núcleos de hidrógeno de su cuerpo. El único protón en un núcleo de hidrógeno puede ser polarizado por un campo magnético muy fuerte (preferiblemente de un imán superconductor). Una vez polarizados, los núcleos se pueden tocar con un pulso de radio y sonarán como una campana de radio. El tono exacto del sonido del protón depende de la fuerza del campo magnético que ve el protón (un campo más fuerte crea un tono más alto).
Una resonancia magnética toma imágenes de su cuerpo cambiando cuidadosamente el campo magnético y escuchando repetidamente el timbre de radio de sus núcleos de hidrógeno. La resonancia magnética hará que el campo sea un poco más fuerte en su cabeza que en sus pies, hará sonar todo el hidrógeno, luego hará que el campo sea un poco más fuerte a la izquierda que a la derecha y vuelva a hacer sonar todo el hidrógeno. Al escuchar atentamente cuántos núcleos suenan en cada tono en diferentes configuraciones de imán, puede construir una vista tridimensional de dónde está todo el hidrógeno en su cuerpo. ¿El resultado? Un hermoso mapa de tu interior. (Las resonancias magnéticas modernas usan trucos adicionales, como se explica exhaustivamente aquí ).
Me encantan las máquinas de resonancia magnética porque se basan en la mecánica cuántica para cada aspecto de su funcionamiento. Usan superconductividad para crear un campo magnético fuerte, que causa la polarización cuántica de los núcleos de su cuerpo, y luego usan un ping de radio y un timbre relacionado con la magia cuántica aún más avanzada. Las resonancias magnéticas son inherentemente máquinas de mecánica cuántica.
Electrónica cuántica
El siguiente paso obvio es jugar con la polarización de los electrones. A esto a menudo se le llama ‘espintrónica’, y ya lo estamos usando, todas las unidades de disco duro modernas dependen de la polarización electrónica para funcionar.
Conceptualmente, puede leer un disco duro pasando un pequeño bucle de cable por los pequeños imanes del disco que registran los datos. Los imanes inducen una señal eléctrica débil en el cable, “leyendo” las direcciones de los imanes. Un aro de alambre, con un poco de hierro magnético para aumentar la señal, es exactamente cómo funciona la cinta de audio y discos duros era cómo trabajaron hasta casi el final del Siglo XX.
Pero hacer que un disco duro contenga más datos significa hacer que los imanes del disco sean cada vez más pequeños; en consecuencia, la señal eléctrica producida en el bucle de cable se hizo cada vez más pequeña hasta que estuvo al borde de ser indetectable. Esto llevó al uso de cabezales de polarización de electrones (resistencia magneto gigante en 1997 y resistencia magneto túnel en 2004). Ambas tecnologías se basan en la mecánica cuántica y utilizan la polarización del electrón para detectar la dirección de los imanes en el disco.
Puede pensar en esto como pasar luz a través de dos polarizadores. Si los polarizadores están alineados, pasa la mayor parte de la luz (baja resistencia); si se cruzan, pasa muy poca luz (alta resistencia). En los cabezales de lectura actuales, hay dos capas delgadas de hierro que actúan como polarizadores de electrones. Uno de ellos tiene una dirección fija y polariza los electrones entrantes, mientras que la otra capa de hierro es libre de alinearse con el imán del disco. Cuando el segundo polarizador de electrones cambia de dirección, el número de electrones que lo atraviesan cambia drásticamente.
Los cabezales de resistencia a magneto tunelizados en los discos duros actuales incluyen tunelización de electrones entre las capas de hierro para obtener aún más bondad cuántica. Los discos duros modernos simplemente no funcionan sin electrónica cuántica.
Pero podemos ir más allá de la polarización de los electrones y realmente aprovechar la ondulación de los electrones. Al intercalar capas delgadas de materiales superconductores y normales, podemos hacer equivalentes electrónicos cuánticos de transistores y diodos como las uniones de túnel superconductoras (SJT) y los dispositivos de interferencia cuántica superconductores (conocidos cariñosamente como SQUID). Estos dispositivos aprovechan al máximo la naturaleza ondulatoria de los electrones y se pueden utilizar como bloques de construcción para todo tipo de electrónica novedosa.
Todos los circuitos de esta cámara incorporan superconductividad, desde los 512 bolómetros TES hasta los multiplexores SQUID y las trazas de PCB superconductoras.
Debido al requisito de superconductores, deben mantenerse muy fríos, pero la electrónica cuántica ya ha revolucionado la medición de precisión. La aplicación más visible ha sido la medición del fondo cósmico de microondas (CMB). Las observaciones del CMB han demostrado que vivimos en un Universo en expansión, determinaron la edad de nuestro Universo e identificaron la fracción compuesta de materia oscura y energía oscura. Las mediciones del CMB han transformado nuestra comprensión del Universo en el que vivimos. Estas mediciones han sido habilitadas en gran medida por los SQUID y los componentes electrónicos superconductores relacionados en sus cámaras de microondas.
En el mundo de la medición de precisión, los circuitos cuánticos son la nueva norma. Los efectos cuánticos se encuentran en los amplificadores de radio de las búsquedas de materia oscura, las cámaras de los satélites de rayos X y pueden obtener imágenes del cerebro en funcionamiento utilizando campos magnéticos. También sirven como bloques de construcción de muchas computadoras cuánticas, como D-Wave e IBM Q.
El mundo cuántico ya está aquí y está comenzando a convertirse en algo común.
Viviendo con la mecánica cuántica
Entonces, ¿qué significa tener conocimientos técnicos cuando el conocimiento de la mecánica cuántica es un requisito previo para comprender nuestra tecnología cotidiana? Tienes que entender que los electrones se mueven como ondas para entender cómo funciona un punto cuántico en tu televisor. Sin la mecánica cuántica no tiene sentido: no existe un análogo clásico. A medida que los dispositivos cuánticos se vuelvan omnipresentes, se requerirá una comprensión de la mecánica cuántica para darle sentido a nuestro mundo. Para las personas que no conocen la mecánica cuántica, la respuesta a “¿Cómo funciona X?” se convertirá cada vez más en “magia”.
¿Quizás esto esté bien? Ninguno de nosotros entendemos cómo funciona todo lo que encontramos, y muchas personas están de acuerdo con no entender. La mecánica cuántica nos permitirá construir una tecnología maravillosa. ¿No restará valor a su magia la comprensión de cómo funciona?
Sospecho que algunos de ustedes dirán que la razón por la que leen esta serie de artículos de maratón es porque quieren saber por qué. ¡Y no, la magia no es una respuesta suficientemente buena!
Quizás haya una respuesta más esperanzadora. Quizás esto no sea más que un paso en un largo camino. A principios del siglo XX, la electrónica era algo nuevo, entendido solo por especialistas. Los transistores no se inventaron hasta mediados de siglo. Ahora, los niños de la escuela primaria conectan circuitos y hay departamentos universitarios dedicados a enseñarlo. Hemos aprendido a enseñar electrónica de manera mucho más amplia, ya que se ha convertido en una parte crucial de nuestras vidas.
Hoy en día, la mecánica cuántica rara vez se enseña fuera del edificio de física. La mayoría de los estudiantes universitarios nunca han tomado un curso de mecánica cuántica, y los videos y artículos de divulgación científica rara vez tratan los temas hermosos pero avanzados que exploramos en esta serie de artículos. Si queremos un mundo en el que la mayoría de la gente pueda comprender la tecnología que les rodea, tendremos que descubrir cómo enseñar mecánica cuántica de forma más amplia.
Por eso, me gustaría cerrar con un enorme agradecimiento a ti, lector, por acompañarme en este viaje. He estado enseñando muchos de estos conceptos en una clase avanzada de física de posgrado (un año de licenciatura en mecánica cuántica es un requisito previo …). Esta serie de artículos es mi intento de tomar estas ideas y presentarlas de una manera más accesible. Y si bien una cosa es decir que tenemos que descubrir cómo enseñar mecánica cuántica a una audiencia más amplia, es mucho más aterrador atarse las botas y tratar de dirigir una gira. Esta serie de artículos es mi intento de enseñar los aspectos hermosos y sutiles de la mecánica cuántica a una audiencia más amplia, y estoy muy agradecido con todos ustedes por su energía y tiempo, y por acompañarme en este safari por los bosques cuánticos.
Miguel F. Morales es profesor de física en la Universidad de Washington en Seattle.
