Reseña

Propiedades cuánticas de sistemas físicos: contribuciones a la teoría de la información y al desarrollo de tecnologías cuánticas.

Ganador Ciencias Exactas, Físicas y Naturales - 2020

AUTORES: Cristian Edwin Susa Quintero, Profesor del Departamento de Física y Electrónica, Universidad de Córdoba, Montería. John Henry Reina Estupiñán, Profesor del Departamento de Física. Director Centro de Investigación e Innovación en Bioinformática y Fotónica-CIBioFi. Universidad del Valle, Cali. Andrés Felipe Ducuara García, Estudiante de Doctorado en Ingeniería Cuántica. Universidad de Bristol, Bristol, Reino Unido. (En la foto de Izq.-Der.  Cristian Edwin Susa Quintero, John Henry Reina Estupiñán, Andrés Felipe Ducuara García).

El momento actual de desarrollo de la física nos ha ubicado frente al paradigma de la denominada segunda revolución cuántica, debido a la estructuración teórica alcanzada y al desarrollo de tecnologías novedosas y revolucionarias para el procesamiento de la información en el dominio cuántico.

Esta radical transformación tecnológica, en el contexto de la ya anunciada era de la “supremacía cuántica”, es una realidad que conlleva a enormes repercusiones científicas e impacto social por sus diversas aplicaciones en áreas como la medicina, medio ambiente y clima, energía y economía, por mencionar solo algunas.

Por tecnología cuántica se entiende todo tipo de investigación + desarrollo, implementación experimental y posible comercialización de cualquier tipo de tecnología que utilice como principio fundamental de funcionamiento las reglas de la teoría cuántica. En algunos países como La República de China, se ha acogido la investigación en torno a estas tecnologías como política de desarrollo y gobierno. Un ejemplo de tecnología cuántica, y posiblemente el de mayor impacto para la comunidad científica y la sociedad en general, es el computador cuántico.

En el contexto nacional, las investigaciones en torno a este tipo de tecnología plantean la posibilidad de generar aportes en futuros desarrollos; por ejemplo, en tecnologías convergentes, energías sostenibles y por supuesto, en ciencias básicas, que son algunos de los focos temáticos definidos y propuestos por la Comisión de Sabios en 2019, hoja de ruta donde Colombia debería enfocar sus esfuerzos en investigación, innovación y desarrollo en los próximos planes de gobierno en el horizonte de las tres próximas décadas.

El eje primario de nuestra investigación se enfoca en la noción conceptual de la información cuántica como recurso físico. En particular, se presentan los aportes realizados en el análisis de correlaciones, no-localidad, entrelazamiento, discordia cuántica, entre otras, y sus implicaciones en la implementación de registradores cuánticos, el hardware base de la computación cuántica. Un registrador cuántico es un sistema físico que registra y procesa información, el cual usualmente se encuentra en interacción con un reservorio.

A continuación, presentamos un consolidado de los principales resultados obtenidos en la investigación de registradores atómico-moleculares y fotónicos, así como de los resultados en teoría de información y de recurso físico, durante los últimos tres años. En primer lugar, hemos analizado la dinámica cuántica disipativa de registradores atómico-moleculares y fotónicos, y modelado el comportamiento de las correlaciones cuánticas en diferentes escenarios de acoplamiento al reservorio y a campos externos que permitan establecer su aplicabilidad en un contexto de desarrollo de tecnologías cuánticas.

En particular, hemos demostrado como utilizar y controlar complejos moleculares orgánicos como registradores cuánticos para el procesamiento de información en la escala ultrarrápida de los pico- y femtosegundos. De otra parte, y en el contexto de la teoría de juegos, hemos descubierto nuevas formas de implementación y desarrollo de estrategias cuánticas, a partir del análisis de correlaciones cuánticas entre jugadores, en la solución de dilemas de escogencia. Para esto, hemos además simulado la implementación de una configuración óptica que utiliza qubits fotónicos para reproducir nuestros hallazgos.

En segundo lugar, y a nivel fundamental de la teoría cuántica, hemos investigado el concepto de realidad de estados cuánticos en escenarios dinámicos disipativos y hemos propuesto una definición para cuantificar las correlaciones en sistemas multipartitos (dos o más partículas) tanto clásicos como cuánticos, la cual permite establecer un criterio operacional para determinar su complejidad estructural.

Finalmente, también hemos realizado aportes clave a las teorías de recursos cuánticos y, en particular, hemos descubierto una correspondencia triangular entre: cuantificadores de recurso, tareas operacionales e información cuántica del tipo “single shot”.