En esta nueva entrega de la serie “Papers en primera persona”, el Doctorando en Física Martín Kuffer cuenta en detalle cuál fue su aporte en una investigación sobre tecnologías cuánticas. Los resultados se publicaron en la revista científica PRX QUANTUM. En esta entrevista, también comenta en qué otros temas colabora en el Departamento de Física Médica del CAB.

Fecha de publicación: 15/06/2022

“La idea fundamental del paper fue utilizar integrales de camino para modelar entornos de un bit cuántico”, sintetiza Martín Kuffer sobre un artículo publicado en la revista PRX QUANTUM. El físico cuenta que su principal aporte en esta investigación fue realizar “una sopa de conceptos” y herramientas de distintas ramas de la física, para estudiar un fenómeno que se llama “decoherencia” en determinados ambientes cuánticos.

Kuffer (25 años) egresó de la Licenciatura en Física del Instituto Balseiro en 2019 y de la Maestría en Ciencias Físicas en 2021. En la actualidad, está en segundo año del Doctorado en Física en el Balseiro, institución pública dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO). Es becario doctoral del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET).

En esta nota, Kuffer busca explicar los resultados de la investigación, que podría tener implicancias en distintas tecnologías cuánticas. El paper tiene tres autores: además de Kuffer, está su director de tesis, Gonzalo Álvarez, y su codirectora, Analía Zwick, ambos docentes del Instituto Balseiro e investigadores del CONICET en el Centro Atómico Bariloche.

Oriundo de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Kuffer vive en Bariloche desde 2017, cuando ganó una beca de la CNEA para estudiar en el Balseiro. “Elegí estudiar en el Balseiro porque sabía que quería dedicarme a la física, y que venir acá era la mejor opción para convertirme en el mejor científico que puedo ser”, afirma el joven, y agrega que sus hobbies son cantar en un coro, andar en bicicleta y cocinar.

“La investigación surgió de mi trabajo en la materia Experimental IV. Si bien ese trabajo fue principalmente experimental, fue cuando me puse en contacto con estos temas y con el grupo donde terminaría haciendo mi doctorado. Durante mi maestría, sobre un tema de física de campos cuánticos, aprendí sobre las integrales de camino y tuve la idea de aplicarlas al problema de un qubit con un entorno”, comenta sobre la investigación reportada en el paper.

El trabajo fue desarrollado en el Laboratorio de Espectroscopia e Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear  del Departamento de Física Médica del CAB, que también forma parte del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN) de CNEA y CONICET.

A continuación, compartimos la entrevista realizada a Martín Kuffer desde el Área de Comunicación Institucional y Prensa del Instituto Balseiro en el contexto de la serie “Papers en primera persona”:

-En el paper cuentan que han logrado crear un marco de explicación de lo que ocurre en la física de ciertos sistemas cuánticos, y que ese marco sirve para caracterizar y controlar la “decoherencia inducidas por ambientes no estacionarios”. ¿Podrías contar de forma simple qué significa esto?

-¡Claro! Un problema súper importante para poder desarrollar las tecnologías cuánticas (es decir, las tecnologías que aprovechan el comportamiento de la materia y como procesar información con ellas a escalas muy muy chiquitas) es el de la decoherencia. Vos a veces querés controlar un sólo átomo o un sólo electrón, pero tenés un montón de otras cosas que andan ahí chocando contra el sistemita que querés controlar. Esto hace que le pasen cosas que no controlás, y entonces dejás de saber exactamente cuál es el estado de tu sistema. 

-¿A eso llaman decoherencia?

-Sí, este fenómeno es lo que llamamos decoherencia, y es un problema importantísimo de resolver para desarrollar tecnologías cuánticas. Es por eso que hay que encontrar formas de minimizar los efectos de estos procesos sobre tus experimentos. Otras veces vos querés usar este sistemita como sensor, entonces querés ver cómo está este entorno golpeando a tu sistema. Lo que nosotres hicimos fue basarnos en técnicas que se usan en otras áreas de la física para armar una forma de pensar estos procesos de decoherencia, que nos permite llegar a conclusiones nuevas y entender con más profundidad, desde otro ángulo, resultados que ya se conocían. 

-¿Y qué lograron?

-En particular esta visión distinta nos permitió atacar problemas que hasta ahora no habían sido resueltos: los entornos no estacionarios. A escalas chiquitas la idea de que las cosas están en equilibrio termodinámico (es decir, su estado depende sólo de su temperatura, y es estacionario: no cambia salvo que vos lo calientes o enfríes) deja de valer. Nosotres lo que hicimos fue usar este marco teórico para resolver el problema de la decoherencia por un entorno no estacionario, cosa que hasta ahora no había sido hecha.

-Mencionan que poder controlar los sistemas cuánticos que hacen funcionar las tecnologías cuánticas es uno de los grandes desafíos actuales. ¿Cómo este nuevo trabajo logra generar un aporte en este campo?

-En este trabajo introdujimos un marco teórico para entender la decoherencia que sufren estos sistemas. Una de las cosas que hicimos fue estudiar sistemas con entornos cuya dinámica varía en el tiempo, o “no estacionarios” en la jerga de físico. A escalas muy chiquitas los entornos son de este estilo ya que se encuentra fuera de equilibrio. Tradicionalmente se usan leyes basadas en el equilibrio termodinámico que se genera cuando un sistema tiene muchos grados de libertad. Pero esto último ya no ocurre en las escalas cuánticas. Entonces, considerar entornos que no están en equilibrio es muy relevante porque para poder controlar tecnologías cuánticas vamos a tener que tratar con estos entornos. En particular, generamos herramientas nuevas que permitirían atacar la decoherencia generada por entornos no estacionarios. Y uno de nuestros principales resultados fue que conseguimos encontrar una forma en que podemos modificar las herramientas que se usan para entender entornos estacionarios, y así poder aplicarlas a los entornos no estacionarios, que en general son mucho más complejos. 

-En el paper cuentan que el marco teórico que uds. aportan podría ayudar a medir las actividades de lo que ocurre en proteínas, neuronas y dispositivos de almacenamiento de memoria. ¿Por qué?

-Una de las tecnologías cuánticas son los sensores cuánticos que hoy en día ya han mostrado poder detectar proteínas individuales y la señal de neuronas individuales en el cerebro. Estos sensores son muy útiles para mirar actividades biológicas a esas escalas tan chiquitas y así poder monitorear muchos procesos biológicos que aún no comprendemos. La decoherencia de los sensores al interactuar con estos entornos surge de procesos justamente que son no estacionarios. A la escala de las proteínas individuales, éstas se encuentran fuera de equilibrio, “en movimiento”,  y todavía no es muy claro cómo medir todas sus propiedades por esta razón.

-¿Y en las neuronas?

-Algo similar pasa con las neuronas: la activación de una neurona es un proceso fuera de equilibrio, entonces si uno quiere medirlo con un sensor cuántico, necesita entender cómo los sistemas fuera de equilibrio, es decir no estacionarios, generan decoherencia en el sensor. Por eso esperamos que nuestro desarrollo sea un puntapié, para poder poder generar dispositivos y técnicas para monitorear proteínas y neuronas a escalas atómicas y nanométricas.

-¿Y qué pasa con los dispositivos de memorias?
-En cuanto a los dispositivos de almacenamiento de memoria, la situación es distinta. Con los sensores, el objetivo es mirar el entorno al dispositivo. Sin embargo, con las memorias, el objetivo es no verlo, así de esa manera podemos aislar la memoria de su entorno y proteger su información. Para la construcción de computadoras cuánticas va a ser necesario poder almacenar el estado de bits cuánticos en una memoria, igual que nuestros discos rígidos almacenan bits clásicos. En nuestras computadoras hay un montón de ingeniería dedicada a prevenir la pérdida de información por ruido, pero las técnicas con las que funcionarán las computadoras cuánticas todavía se están desarrollando. Con este marco teórico justamente contribuimos a cómo comprender la interacción de un sistema cuántico con su entorno natural, algo que todavía no está resuelto, por lo que nuestros aportes podrían facilitar la producción de memorias cuánticas. Aunque, por supuesto, el camino de llevarlo a la práctica todavía es largo y hace falta aún mucho desarrollo antes de llegar a eso.

-El paper está firmado por tres investigadores. ¿Podés contar a grandes rasgos cuáles fueron tus tareas? 

-La idea fundamental del paper fue utilizar integrales de camino para modelar entornos de un bit cuántico. Comencé a trabajar en cómo usar un bit cuántico como sensor de su entorno con herramientas experimentales en una práctica de la materia Experimental IV. Luego hice mi Maestría en el área de física de partículas y campos, y fue ahí que conocí las integrales de caminos. Se ve que en mi cabeza en ese momento se hizo una sopa con esos dos conceptos, porque se me ocurrió usar la técnica que había aprendido para aplicarla a teoría de campos, pero para entender los entornos de bits cuánticos. Fue entonces que me acerqué a Gonzalo y Analía y les conté lo que se me había ocurrido, y junto a elles tomamos esa idea y la desarrollamos muchísimo.

-Hiciste un mix de herramientas…

-Mi principal contribución fue tener esta idea, y hacer la mayor parte de los desarrollos teórico/matemáticos que se presentan en el paper. Pero, por supuesto, hubo muchísimas idas y vueltas con Gonzalo y Analía. Cuando empecé con este trabajo no entendía para nada el contexto en el que se insertaba nuestra investigación, entonces elles me guiaron muchísimo: fue iterando con elles y revisando la bibliografía que encontramos la dirección en la que decidimos llevar el trabajo: usarla para resolver el problema no resuelto y altamente relevante para el desarrollo de las tecnologías cuánticas, de los entornos no estacionarios. Si bien este proyecto se inició cuando yo estaba haciendo mi maestría en otro tema, se convirtió en uno de los proyectos que forman parte de mi doctorado, dirigido por Gonzalo y Analía.

-¿Podrías contar en palabras simples si se incluye trabajo experimental además de teórico?

-El paper no incluye trabajo experimental. Sin embargo nosotres somos un grupo teórico-experimental, en el que utilizamos técnicas de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) para estudiar muchísimos fenómenos, desde detección temprana de Alzheimer hasta simulaciones experimentales de registros cuánticos. La semilla “inspiratoria” de este paper nació del trabajo que hice en la materia Experimental IV con este mismo grupo, en el que hicimos experimentos de RMN de estado sólido usando un sensor cuántico para medir entornos fuera de equilibrio. Pero no terminábamos de entender qué estaba ocurriendo con las herramientas que teníamos disponibles en ese momento. Ahora que tenemos un modelo teórico más desarrollado, estamos trabajando en mejorar y diseñar los experimentos que intentamos en la materia Experimental IV para verificar nuestras predicciones teóricas que salen de nuestro modelo. 

-¿Qué es lo que más te gustó de hacer este trabajo? 

-Uff. La verdad, imposible elegir una cosa. Primero, fue la primera vez que tuve un momento “¡Ajá!” en el que de repente dos conceptos lejanos se conectan en mi cabeza y sale una explosión de ideas, y eso es una de las cosas que más me motiva para hacer investigación. Por otro lado, aprendí muchísimo al tener la experiencia de llevar una idea desde ese momento inicial hasta ser un proyecto “terminado”, o por lo menos publicado. 

-También es importante haber publicado en una revista internacional, ¿no?

-No es nada menor tampoco que hayamos podido publicar estos resultados en una revista recontra prestigiosa y exigente. Me hace extremadamente feliz el hecho de que nuestro trabajo contribuya a PRX Quantum: una revista que está buscando ser un pilar para el área de las tecnologías cuánticas, y la física en general. Y finalmente Gonzalo y Analía son maravilloses como no solo como investigadores sino también como personas. Entonces es para mí un placer trabajar con elles tanto humanamente, como porque podemos quedarnos discutiendo horas y horas sobre proyectos e ideas sin cansarnos.

-¿Cuáles son los siguientes pasos de la investigación? 

-Por un lado tenemos cuentas hechas en base a nuestro marco teórico, y estamos haciendo experimentos que creemos que están dando muy bien. Por otro lado tenemos otras ideas que están esperando a ser desarrolladas en profundidad: estamos armando un proyecto estudiando cómo pierden coherencia los sistemas cuánticos de muchos cuerpos, que se usan como modelo de una memoria cuántica, que contribuiría al desarrollo de computadoras cuánticas. Hay muchísimes físiques trabajando en estos temas ahora mismo, porque no es raro pensar que el desarrollo de la computación cuántica vaya a cambiarnos la vida a todes tanto como lo hizo el invento de las computadoras clásicas, las que ahora están en todos lados. 

-¿Y qué más están investigando?

-Por otro lado estamos estudiando cómo podemos usar un sensor cuántico para medir este tipo de sistemas mejor que como se hace actualmente. Esto está en la misma línea del paper que publicamos: los sensores cuánticos podrían abrirnos la puerta a medir cosas con altísima precisión, o hacer exámenes médicos de manera mucho menos invasiva que lo que hacemos hoy en día. Entonces estás no son solo tecnologías que van a ser interesantes para gente de laboratorio, sino que podrían llegar a cambiar la vida de muchísimas personas. Por esta razón estoy también colaborando con Ezequiel Saidman (estudiante de maestría del IB) en un modelo teórico para estudiar la difusión de líquidos en sistemas desordenados, que vamos a comparar con experimentos que él está haciendo. 

-¿Querés contar un poco más sobre ese trabajo?

-Esto se enmarca en una línea de investigación muy relevante de nuestro grupo, que es la de usar técnicas de física fundamental para hacer mejores imágenes médicas. La idea es que con este modelo podamos encontrar nuevas maneras de hacer imágenes médicas de forma no invasiva a escalas atómicas, usando cómo el agua hace difusión dentro de nuestro cuerpo. Esto significaría que quizás en un futuro no haga falta hacer biopsias para confirmar ciertas enfermedades, sino que alcance con hacer una imagen en un resonador magnético. Este es el proyecto que Ezequiel está llevando adelante, y también otros estudiantes del grupo, y al que estoy contribuyendo, desde el lado del modelado teórico.

-¿Querés agregar algo más?

-Quiero agradecerle muchísimo a todes les profesores que me incentivaron a descubrir y disfrutar de la belleza de la física, y las maravilla de la investigación. Creo que nunca está demás remarcar la importancia de les profesores que no solo enseñan, sino también motivan y emocionan a sus estudiantes. Y por supuesto quiero agradecerle a la Universidad de Buenos Aires por ser donde di mis primeros pasos en la física, al Instituto Balseiro y la Universidad Nacional de Cuyo y la Comisión Nacional de Energía Atómica por permitirme convertirme en físico e investigar acá y a CONICET y CNEA por brindarme el financiamiento necesario para poder hacerlo.

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Por Laura García Oviedo

Área de Comunicación Institucional y Prensa

Instituto Balseiro, San Carlos de Bariloche, 15/06/2022

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