Una de las recomendaciones que dejó la Misión Internacional de Sabios de 2019 en Colombia fue la de reaccionar cuanto antes a la segunda revolución cuántica. El país necesita ingresar a la industria cuántica global y para ello desarrollar capacidades locales en física cuántica. Actualmente se está ejecutando el primer proyecto interuniversitario financiado por el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (Minciencias) enfocado en la producción de tecnologías de este tipo a la colombiana.
El proyecto se llama ‘Ampliación del uso de la mecánica cuántica desde el punto de vista experimental y su relación con la teoría, generando desarrollos en tecnologías cuánticas útiles para metrología y computación cuántica a nivel nacional’. Participan en él cuatro universidades —Universidad Nacional de Colombia, Pontificia Universidad Javeriana, Universidad de los Andes y Universidad del Quindío—, cuatro aliados estratégicos —Instituto Nacional de Metrología (INM), Maloka, la Sociedad Colombiana de Ingeniería Física y la empresa MB Metrología —, así como 10 departamentos.
“Este proyecto representa la puerta de entrada a la modernización del país en términos de ciencia y tecnología”, afirma Herbert Vinck Posada, doctor en Física de la Universidad de Antioquia, profesor titular del Departamento de Física de la Universidad Nacional, investigador principal y director general del proyecto. Según él, “la mecánica cuántica marca la línea de lo que va a pasar en el mudo en términos de tecnología e industria en las próximas décadas”, y Colombia debe prepararse y adaptarse.
Medir con mayor precisión, uno de los retos cuánticos de Colombia
Precisamente, uno de los objetivos gruesos del proyecto es la actualización de los patrones oficiales de medición del país, a cargo del Instituto Nacional de Metrología. La metrología es la rama de la ciencia que se dedica a desarrollar estándares fiables de medición para lograr la mayor exactitud posible y garantizar la confiabilidad necesaria para realizar actividades comerciales, industriales y científicas.
Una de las tareas de la metrología es el establecimiento de los patrones de medida necesarios para calcular las unidades fundamentales, las cuales son: el metro (m), el kilogramo (kg), el segundo (s), el amperio (A), el kelvin (K), el mol (mol) y la candela (cd). ¿Alguna vez se ha preguntado cómo sabemos que un kilogramo es un kilogramo, o que un metro es un metro? ¿Cómo estamos seguros de que el kilogramo de tomates que compramos es realmente un kilogramo? ¿O que el metro que tenemos en la casa efectivamente mide un metro?
Lo sabemos porque así lo hemos acordado entre los seres humanos. En 1799, en París, se instauraron los primeros patrones internacionales de medición: una barra de platino para el metro —correspondiente a un fragmento de la distancia calculada entre el Polo Norte y la línea del Ecuador, a lo largo del meridiano que pasa por París— y un cilindro para el kilogramo, también de platino, que representaba la masa de 10 centímetros cúbicos de agua destilada.
“Quien quisiera saber cuánto era un metro o un kilogramo tenía que ir hasta París a tomar la medida a partir de esos artefactos”, cuenta Juan Carlos Salcedo Reyes, doctor en Ciencias especializado en Física, profesor titular del Departamento de Física de la Universidad Javeriana e investigador del proyecto. Esto, además de significar desgaste y desigualdades epistémicas entre las naciones, “se prestaba para imprecisiones metrológicas de diversa índole, como la pérdida de masa de platino de los artefactos, que con el paso de los años repercutía en el cambio de la medida”, explica Salcedo.
Poco a poco se establecieron patrones de medida más sofisticados, no sólo del metro y del kilogramo, sino también de las demás unidades. También se actualizaron los acuerdos entre países, se creó la Convención Metro y se estableció el Sistema Internacional de Unidades (SI). A pesar de que la Convención Metro existe desde 1875, Colombia apenas se adhirió en 2012. Un año antes había creado el Instituto Nacional de Metrología (INM), autoridad científica nacional sobre los patrones de medida.
Y mientras el país empezaba a nivelarse en términos metrológicos frente a los estándares internacionales —adquiriendo los artefactos necesarios para definir los patrones de medida— el SI cambió radicalmente en 2019 con la aplicación de la física cuántica a la metrología.
“En 2019, más de 200 países firmaron un acuerdo internacional en el que se acordó que todas las unidades fundamentales iban a quedar supeditadas a constantes universales”, relata Mariano Real, jefe del Departamento de Metrología Cuántica del Instituto Nacional de Tecnología Industrial de Argentina, aliado internacional del proyecto. Las constantes universales son constantes físicas como la velocidad de la luz en el vacío (c); la constante de Planck (h); la carga elemental (e); la constante de Boltzmann (k) y la constante de Avogrado (NA).
Según Real, “es posible relacionar cada una de estas constantes universales con un ejercicio de medición que arroje como resultado la unidad fundamental de medida que se está buscando”. Básicamente, se trata de hacer un experimento cuántico que involucre alguna de las constantes y cuyo resultado sea la unidad de medida. “Eso se llama realizar la unidad”, explica Real.
Por ejemplo, el cálculo del metro ya no se define con un artefacto de metal que emula una fracción de distancia en la tierra, sino como la distancia que recorre la luz en el vacío (c) en un fragmento de segundo (1/299.792.458 s). Para calcular esa distancia se puede hacer un experimento cuántico con un peine de frecuencias ópticas, que es un láser de alta precisión con el que se pueden medir con exactitud las longitudes recorridas por los fotones en ciertos intervalos de tiempo.
Y así, para calcular con precisión las siete unidades fundamentales de medida se deben realizar experimentos cuánticos que arrojen las magnitudes de cuánto es un kilogramo, cuánto un metro, cuánto un amperio, cuánto un segundo, etc. La realización de estos experimentos cuánticos es clave para el Instituto Nacional de Metrología (INM) de Colombia, pues es necesario establecer los patrones de medida a partir de los cuales los cuales deberán calibrarse las diferentes industrias del país.
Este proyecto, financiado por Minciencias, tiene entre sus metas desarrollar el experimento cuántico que realiza la unidad de resistencia eléctrica, de la cual se deriva el amperio. El profesor Juan Carlos Salcedo, del Departamento de Física de la Javeriana, lidera la realización del patrón de resistencia eléctrica a partir del efecto Hall cuántico con heteroestructuras semiconductoras.
Al acecho del efecto Hall cuántico
En otras palabras, los investigadores buscan cuál es la vara de platino que les ayudará a definir, con la precisión de la física cuántica, a cuánto equivale un amperio (A), que es la unidad fundamental de intensidad de la corriente eléctrica. Para que se haga una idea, el tomacorriente de su casa suele tener entre 15 y 20 A. Para describir esta unidad, la metrología cuántica la define en términos de la resistencia eléctrica, es decir, la oposición que ofrece cierto material a una corriente de electrones. Para ello debe producirse en laboratorio un efecto llamado Hall cuántico, para el que se requiere la elaboración de un diminuto chip, del tamaño de apenas unos cuantos cabellos humanos.
En pocas palabras, la idea es alinear una serie de capas —o películas— tan, pero tan delgadas, que se pueda crear entre ellas una interfaz de dos dimensiones en la que queden “atrapados” los electrones. “Los fenómenos cuánticos aparecen cuando confinas las partículas, cuando restringes su movimiento, eso se llama un corral cuántico”, explica Salcedo. Al hacerlo, la energía de los electrones se “cuantiza” en valores discretos, es decir, no toma cualquier valor, sino unos específicos, determinados.
Por eso, después de tener los electrones atrapados en la pequeña muestra —llamada Gas Bidimensional de Electrones— que está elaborando el profesor Salcedo, lo que sigue es enviar una corriente eléctrica que atraviese la muestra y aplicar, de manera perpendicular, un campo magnético de 16 teslas. Los electrones entonces seguirán unas trayectorias muy específicas. Cuando este experimento se hace en un ambiente con temperatura a –272.15°C, “siempre se obtiene el mismo valor”, afirma Salcedo. Ese valor es el resultado del efecto Hall cuántico a partir del cual, junto con el efecto Josephson que proporciona el patrón de voltaje, se deriva el valor del amperio (A).
Colombia quiere cuantizarse
“La idea es dejar instalada esta infraestructura experimental para el Instituto Nacional de Metrología”, dice Salcedo. Pero este proyecto, además de contribuir al establecimiento del patrón metrológico fundamental de resistencia eléctrica en Colombia, también aporta al desarrollo de tecnologías que sirven para el desarrollo de la industria de semiconductores y computación cuántica en el país.
“Tenemos el compromiso de mejorar la capacidad instalada en la dirección de las tecnologías cuánticas tanto en lo científico, como en lo tecnológico”, dice Herbert Vinck, físico de la UNAL y director general del proyecto. De hecho, gracias a este proyecto se creó la Red Nacional Colombiana de Tecnologías Cuánticas, en la que participan la mayoría de los grupos de investigación y desarrollo de este tema en el país. “La idea es convertirnos en una voz permanente de recomendaciones hacia el país que ojalá trascienda a los gobiernos”, afirma Vinck.
Gracias al trabajo mancomunado de estos científicos apasionados por lo que no alcanzamos a ver, Colombia hoy se actualiza en física cuántica y se prepara para el futuro. Porque la física cuántica llegó para quedarse y el conocimiento de la naturaleza de las partículas más pequeñas del universo cambiará el mundo.
