La profesora de la ETH Yiwen Chu está investigando cómo aplicar estados cuánticos a objetos cada vez más grandes. Esto debería ayudar a obtener nuevos conocimientos sobre física y desarrollar tecnologías más eficientes. Ahora ha sido galardonada con el premio Latsis de la ETH Zurich por su excelente investigación.
Yiwen Chu afirma que lo que hace a diario es difícil de transmitir a la gente común, porque en la vida cotidiana no vemos nada que se comporte de manera cuántica.
Como profesora de Física del Estado Sólido en la ETH de Zúrich, Chu experimenta con sistemas cuánticos híbridos. Combina diferentes tipos de objetos cuánticos e intenta transferir información cuántica entre circuitos de microondas, sonido, luz yEl momento angular intrínseco de los electrones, conocido como espín, es el que se conoce como «spin». Cuando estos diferentes sistemas cuánticos interactúan entre sí, surgen fenómenos físicos interesantes y, algún día, también surgirán tecnologías más poderosas, espera Chu. «Estamos utilizando nuestro conocimiento actual de la mecánica cuántica para desarrollar nuevas tecnologías que podrían ser útiles en la vida cotidiana».
En diferentes lugares a la vez
Muchas tecnologías que ya se utilizan a diario se basan en la ciencia cuántica: por ejemplo, los chips informáticos, los láseres y las imágenes por resonancia magnética (IRM). En el minúsculo mundo de la mecánica cuántica, las reglas que se aplican son distintas a las del mundo visible para el ojo humano. Por ejemplo, las partículas pueden estar en varios lugares a la vez o pueden estar en una superposición cuántica (es decir, en varios estados al mismo tiempo) hasta que se las mide.
Aunque los investigadores han podido visualizar y trabajar con los distintos estados cuánticos a escala microscópica desde hace mucho tiempo, hasta ahora esto no ha sido posible a escala de los objetos cotidianos. “Estamos trabajando para desarrollar nuevos sistemas que nos permitan detectar fenómenos mecánicos cuánticos, como las superposiciones, en objetos más grandes”, afirma Chu.
Investigación específica para cuestiones fundamentales
El año que viene la investigación cuántica cumple 100 años. En los últimos años, en particular, ha experimentado un gran crecimiento en todo el mundo, en parte debido a la carrera por construir supercomputadoras potentes basadas en las leyes de la mecánica cuántica.
Sin embargo, el grupo de sistemas cuánticos híbridos de la ETH de Zúrich, fundado por Chu en 2019, sigue investigando en un campo muy especializado. “Para los experimentos que realizamos en nuestro laboratorio utilizamos materiales extraordinarios, objetos físicos especiales y técnicas inusuales”, afirma. “Hay muy pocos grupos en el mundo que trabajen en algo similar”.
“Queremos desarrollar nuevas tecnologías y avanzar en la comprensión fundamental de la física cuántica”.Yiwen Chu
En el campo de la investigación cuántica, según Chu, todavía hay muchas cosas que no se saben. Por ejemplo, si la mecánica cuántica también se puede aplicar a los objetos cotidianos. Suponemos que no es posible llevar a cabo el famoso experimento mental de Schrödinger en el mundo real, dice, porque, por supuesto, nadie ha visto nunca un gato vivo y muerto al mismo tiempo. «Pero nadie sabe con certeza si un gato puede estar en una superposición», dice la física cuántica riendo.
Otro misterio es cómo interactúa la mecánica cuántica con otras fuerzas, como la gravedad. “Estas son dos de las preguntas más importantes de la física para las que actualmente no tenemos respuestas concluyentes. Nuestra investigación está tratando de encontrar respuestas a estas preguntas”.
El gato de Schrödinger
Ya en 1935, el físico austríaco Erwin Schrödinger se interesó por el enigma de los diferentes estados que puede tener un objeto al mismo tiempo. Para trasladar esta contradicción al mundo real, realizó un experimento mental: un gato se encuentra en una caja que contiene una sustancia venenosa, cuya liberación está regida por un proceso mecánico cuántico aleatorio. Mientras la caja esté cerrada, no sabemos si el gato está vivo o muerto; en otras palabras, está en una superposición, es decir, vivo y muerto al mismo tiempo, hasta que lo miramos.
Producción del gato de Schrödinger en el laboratorio
El año pasado, Chu y su equipo lograron por primera vez producir un gato de Schrödinger particularmente pesado : un cristal oscilante que representa al gato, un circuito superconductor que asume el papel del átomo original y una capa de material piezoeléctrico que genera un campo eléctrico cuando el cristal cambia de forma mientras oscila. Los investigadores lograron hacer que el cristal oscilara en dos direcciones simultáneamente: arriba/abajo y abajo/arriba, por ejemplo. Estas dos direcciones representan los estados “vivo” y “muerto” del gato.
Estos hallazgos podrían utilizarse para hacer más eficientes las tecnologías cuánticas. Por ejemplo, la información cuántica almacenada en cúbits podría hacerse más robusta utilizando estados de gato formados por una enorme cantidad de átomos en un cristal en lugar de depender de átomos o iones individuales, como se hace actualmente.
Cristales vibrantes
El grupo de Chu está trabajando ahora en aumentar aún más la masa de estos gatos de cristal. La física cuántica experimental afirma que esto le permitirá a ella y a sus colegas comprender mejor las razones que se esconden detrás de la desaparición de los efectos cuánticos en el mundo macroscópico de los gatos reales.
Hasta ahora, los objetos más grandes que se comportan de manera cuántica son cristales de medio milímetro de diámetro. Nunca antes se habían detectado superposiciones cuánticas en objetos más grandes.
La observación de fenómenos cuánticos es fundamentalmente difícil porque los estados cuánticos son muy frágiles. Cuanto más grande es un objeto, más complejo resulta garantizar que todos los componentes conserven sus propiedades cuánticas. Incluso si se escapa una mínima cantidad de energía del sistema, esto puede destruir el estado cuántico.
Lo que hace que los cristales sean tan adecuados para estos experimentos es el hecho de que pueden almacenar energía durante mucho tiempo. Por eso, los relojes siempre han utilizado cristales de cuarzo. “Usamos estas oscilaciones en el cristal porque pueden retener la energía y los estados cuánticos, es decir, la información cuántica, durante un período muy largo, lo que nos da tiempo para hacer algo con ellos”, dice Chu.
Su pasión por la mecánica cuántica híbrida es evidente y estimulante. Esta mujer de 38 años es imparable en lo que respecta a su área de especialización. Su entusiasmo por la física cuántica se remonta a sus estudios: “Me gustaba el trabajo práctico en el laboratorio, pero también me fascinaban los conceptos de la física cuántica”.
El momento en que hizo clic
Chu pasó los primeros años de su vida en la capital de China, Pekín. A los ocho años se mudó con sus padres a Estados Unidos y creció en Pittsburgh. Durante su doctorado en Harvard en 2014, investigó cómo se comportan los diamantes en sistemas ópticos cuánticos. Como investigadora postdoctoral en Yale, Chu comenzó a trabajar en mecánica de cristales y sistemas cuánticos híbridos, pero más por casualidad que por otra cosa. “Durante un descanso, estaba charlando con investigadores de otro grupo cuyo laboratorio estaba en el mismo pasillo que nuestro laboratorio de óptica cuántica. Me fascinó y se me ocurrió la idea de combinar lo que estaba haciendo en ese momento con sus campos de investigación de óptica no lineal y optomecánica”.
“En mi área de investigación todavía queda mucho por descubrir y muchas preguntas por responder. Eso me gusta y me motiva”.Yiwen Chu
Esto llevó a Chu a un territorio científico inexplorado. “Para este nuevo tipo de sistema, tuvimos que juntar objetos con los que no estaba familiarizada y no sabía si funcionaría al final”, dice. “Recuerdo estar sentada en el laboratorio y realizar mediciones, y luego darme cuenta de que los datos confirmaban que el dispositivo funcionaba tal como lo había diseñado en papel”. Recuerda lo emocionada que estaba y todavía tiene los registros de laboratorio con la nota que decía “¡Sí, funciona!”.
En aquel momento, Chu pensó que el tema era algo nuevo e interesante en el que probablemente podría trabajar durante varios años. “No tenía idea de hasta dónde llegaría con esto. Y ahora ha dado origen a todo este programa de investigación”, dice, todavía con cara de asombro.
“Expectativas superadas”
Según Chu, la decisión de venir a la ETH de Zúrich fue sencilla: “Aquí hay mucha gente que trabaja en áreas similares y todos podemos beneficiarnos de ello”. Pero también fue importante la fundación del Centro Cuántico en la ETH en 2021: “Este centro de investigación une a la comunidad”, afirma.
Los colegas de Chu realmente disfrutan trabajando con ella. “ Yiwen ya tenía una carrera estelar antes de unirse a nosotros en 2019”, dice Atac Imamoglu, profesor del Instituto de Electrónica Cuántica. Sus expectativas sobre ella eran correspondientemente altas. “Sin embargo, sus logros en ETH, trabajando en un campo muy competitivo y bajo las limitaciones impuestas por la pandemia durante el tiempo de construcción de su laboratorio, simplemente nos sorprendieron a mí y a mis colegas. Somos realmente afortunados de tenerla en nuestro departamento”. Fue Imamoglu quien nominó a su colega para el Premio Latsis.
“Un reconocimiento a todo el equipo”
Chu recibió en 2021 el premio Sackler de Física. El 16 de noviembre, la joven profesora añadirá a su palmarés el premio Latsis de la ETH de Zúrich, dotado con 25.000 francos suizos y que reconoce “sus destacados logros en el campo de los sistemas cuánticos híbridos”, como se cita en el discurso de presentación.
Chu dice que se siente muy honrada y que es bueno saber que su área de investigación está atrayendo el interés, tal vez incluso de un público más amplio. Sin embargo, agrega que todo el equipo merece el premio. “Puede que yo sea la que haya ganado el premio, pero el trabajo lo han hecho muchas personas de mi grupo. Este premio es un testimonio del esfuerzo que todos pusieron”.
Salir de la zona de confort
Mientras tanto, la física se ha propuesto un nuevo reto: Chu se convirtió en madre en verano. “Es maravilloso intentar algo completamente diferente”, afirma. En su investigación diaria sobre física cuántica, muchas cosas se suceden de forma ordenada. El nacimiento de su hijo la ha sacado a ella y a su pareja, que también es física, de su zona de confort, dice la profesora. “Educar a un niño es algo que no podemos controlar. Eso me llena de energía y me anima a probar cosas nuevas y a asumir riesgos”.
Chu afirma que esto también tiene un impacto en su trabajo diario, ya que recientemente regresó a la ETH después de su licencia por maternidad. “Me siento revitalizada y realizada en mi trabajo profesional”. ETH Zurich. C. L. Traducido al español
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