Universidad de Innsbruck: Hacer realidad las tecnologías cuánticas

La investigación básica constituye una base importante para las tecnologías del futuro

Un ordenador cuántico puede calcular fácilmente algunos problemas matemáticos muy difíciles de resolver para un ordenador clásico. La tecnología de un prototipo de la Universidad de Innsbruck fue desarrollada por los galardonados físicos Peter Zoller y Rainer Blatt junto con otras personas hace más de 25 años. El dispositivo de entonces sigue funcionando en uno de los muchos laboratorios del campus donde la investigación en este campo sigue siendo una de las principales prioridades. Allí se encuentra junto a generaciones más recientes y punteras de ordenadores cuánticos. Tienen el tamaño de un armario y consumen tanta electricidad como una cafetera. Estos ordenadores no necesitan refrigeración: a diferencia de los modelos de la competencia, funcionan a temperatura ambiente. En su corazón se encuentran las llamadas trampas de iones: se atrapan partículas cargadas en el vacío y se disparan con láseres. Suena espectacular, y lo es. Los investigadores de Innsbruck se ocupan ahora principalmente de ampliar los ordenadores cuánticos que ya existen. ¿Por qué? Para poder utilizar el nuevo tipo de ordenador en aplicaciones útiles, se necesitan miles de los llamados bits cuánticos, o qubits para abreviar. Sin embargo, los dispositivos actuales sólo utilizan unas pocas docenas. "El objetivo ahora es conseguir más potencia de cálculo", explica el físico cuántico Martin Ringbauer, uno de los jóvenes aspirantes a investigadores cuánticos del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck, en la ciudad alpina de Innsbruck, al oeste de Austria.

Martin Ringbauer trabaja en nuevos enfoques para el procesamiento cuántico de la información.
*Foto: Universidad de Innsbruck*

Grandes avances

Los investigadores de Innsbruck trabajan ahora en plataformas muy diferentes para la información y la comunicación cuánticas. Además de las trampas de iones, utilizan qubits superconductores, átomos neutros atrapados en pinzas ópticas, átomos ultrafríos y fotónica para explorar nuevas vías en el procesamiento de la información cuántica. Además de la información cuántica, existe un amplio campo de otros temas de investigación en física cuántica en la Universidad de Innsbruck. Para conectar ordenadores cuánticos, los investigadores trabajan en interfaces para conectar trampas de iones con cables de fibra óptica, un elemento fundamental del futuro internet cuántico. Otro grupo de investigadores está investigando la materia cuántica. Han conseguido condensar por primera vez tres especies diferentes: Cesio (2003), Estroncio (2009) y Erbio (2012) - un récord mundial. Los átomos ultrafríos, altamente controlados, revelan muchos fenómenos físicos no investigados anteriormente. Por ejemplo, Francesca Ferlaino, una física italiana que trabaja en Innsbruck desde hace casi 20 años, fue capaz de descubrir fases supersólidas en átomos ultrafríos. Estas fases se comportan como un sólido y un superfluido al mismo tiempo. En un gran avance, observaron vórtices cuantizados en un supersólido bidimensional en rotación, proporcionando la tan esperada confirmación del flujo superfluido irrotacional en un supersólido y marcando un paso crítico en el estudio de la materia cuántica modulada.

La física experimental Francesca Ferlaino estudia la materia cuántica.
*Foto: Martin Vandory*

Punto caliente de la investigación cuántica

En el corazón de los Alpes, los físicos teóricos y los físicos experimentales de Innsbruck trabajan mano a mano. El gran número de científicos en este campo y la diversidad de sus enfoques de investigación garantizan una colaboración intensa y fructífera. Su trabajo también se beneficia de los numerosos invitados de todo el mundo que siempre están encantados de visitar Innsbruck como uno de los puntos calientes de la investigación cuántica. Fue en los laboratorios de Innsbruck donde el premio Nobel Anton Zeilinger realizó por primera vez el teletransporte cuántico de un qubit independiente en 1997. Un año después, su grupo fue el primero en aplicar la criptografía cuántica con fotones entrelazados.

Laboratorio de informática cuántica en la Universidad de Innsbruck
*Foto: M. R. Knabl*

Ciencias cuánticas austriacas

Situado en el campus de la Universidad de Innsbruck, el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia Austriaca de las Ciencias es un faro internacionalmente visible de la investigación cuántica. El IQOQI de Innsbruck y su instituto hermano situado en Viena se dedican a la investigación básica teórica y experimental en las ciencias cuánticas. El IQOQI de Innsbruck y la Universidad de Innsbruck colaboran muy estrechamente compartiendo recursos y a través de iniciativas y programas conjuntos. Liderado por la Universidad de Innsbruck, el programa de colaboración más destacado es Quantum Science Austria, un cluster de excelencia financiado por el Fondo Austriaco para la Ciencia (FWF) y las seis instituciones participantes. Este esfuerzo de colaboración se dedica a hacer avanzar la investigación cuántica y está dirigido por su Director de Investigación, Gregor Weihs, catedrático de fotónica de la Universidad de Innsbruck. "Nuestra misión se centra en explorar cuestiones clave de la naturaleza cuántica del espacio, el tiempo y la gravedad, nuevos paradigmas para la ciencia de la información cuántica y la física de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos diseñados. Mediante el trabajo en equipo y una investigación innovadora, pretendemos obtener conocimientos más profundos sobre el mundo cuántico."

Innsbruck Los físicos han simulado la creación de pares de partículas elementales a partir del vacío utilizando un ordenador cuántico.
*Foto: IQOQI/Harald Ritsch*

Las tecnologías cuánticas despegan

Este entorno inspirador también anima a algunos de los científicos a aventurarse en el espíritu empresarial. En Innsbruck, varias empresas derivadas amplían aún más las ideas procedentes de la investigación básica y sacan al mercado nuevos productos y servicios. ParityQCpor ejemplo, es una empresa de arquitectura cuántica con sede en Innsbruck que desarrolla planos y un sistema operativo para ordenadores cuánticos altamente escalables. La recién fundada Quantum Network Design escribe software para simular y operar redes cuánticas, evaluar su viabilidad y optimizar su rendimiento. Tecnologías cuánticas AlpineEl ordenador cuántico líder mundial de 19 pulgadas montado en bastidor se basa en una plataforma escalable de iones atrapados, un concepto encabezado en la Universidad de Innsbruck.