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Ampliando las fronteras del control cuántico de luz y materia para aplicaciones prácticas

El control de los fenómenos mecánico-cuánticos ha sido, desde hace tiempo, un objetivo implícito de buena parte de la investigación en física y química. Ahora, un grupo de investigadores financiado por la Unión Europea ha establecido una base teórica firme con demostraciones experimentales de las pruebas de principio que permiten utilizar estos efectos en aplicaciones prácticas.
Ampliando las fronteras del control cuántico de luz y materia para aplicaciones prácticas
Los sistemas mecánico-cuánticos presentan muchas características especiales que no se observan en sistemas mecánicos clásicos. A lo largo de los últimos años, han surgido métodos sistemáticos para manipular e interrogar tales sistemas microscópicos con aplicaciones que van desde la espintrónica a los ordenadores cuánticos y aplicaciones biológicas.

No obstante, aunque el control de pequeños sistemas cuánticos se ha estudiado a fondo, el control de grandes sistemas cuánticos sigue siendo difícil. Los científicos participantes en el proyecto financiado con fondos europeos QUANTUM CONTROL (Tailoring decoherence for controlling spin systems: Deepening foundations; expanding applications) utilizaron un gran simulador cuántico basado en espines nucleares con el fin de estudiar la difusión de información en sistemas relativamente grandes.

Se abordaron grandes sistemas cuánticos mediante la combinación de simulaciones cuánticas con experimentos de resonancia magnética nuclear (RMN). En particular, los científicos estudiaron la propagación de información en sistemas en estado sólido con interacciones dipolares. Mostraron cómo las perturbaciones en los acoplamientos dipolares limitaban la dispersión y, con el fin de crear grandes estados cuánticos de forma controlable, es necesario reducir la intensidad de cualquier perturbación por debajo de cierto umbral. El sistema cuántico observado solo se puede expandir libremente por el espacio por debajo de este umbral.

El paso siguiente fue desarrollar métodos para polarizar espines nucleares de electrones libres en forma masiva. Estos enfoques innovadores, dirigidos a diamantes con centros de vacantes de nitrógeno, son compatibles con una amplia gama de intensidades y orientaciones de campo magnético. La transferencia eficiente de la alineación de espín impulsa la señal emitida por núcleos atómicos abriendo el camino de nuevas formas de utilizar polvo de diamante para el análisis basado en RMN.

Las secuencies de espín-eco también llamaron la atención de los científicos como herramienta valiosa para acoplar y desacoplar efectos impuestos por alteraciones ambientales aleatorias. Este concepto se puede aprovechar como herramienta de diagnóstico con el fin de derivar información de sistemas confinados. Los espines se utilizan como sondas cuánticas cuya dinámica se puede caracterizar mediante procesos de difusión.

El equipo de QUANTUM CONTROL desarrolló una serie de métodos para estimar los parámetros de procesos físicos, químicos y biológicos de forma precisa. Las secuencias espín-eco permiten determinar estos parámetros con el número mínimo posible de mediciones. Lo que es más importante, permiten lograr un alto nivel de precisión mediante la optimización del control cuántico en las sondas de espín. Los resultados, combinados con la capacidad de reproducción de imágenes espaciales de la captación de imágenes de resonancia magnética estándar, son una forma totalmente nueva de medir arquitecturas estructurales microscópicas con una resolución extremadamente elevada.

Los resultados del proyecto se han descrito con detalle en numerosas publicaciones en revistas sometidas a revisión. Se espera que se encuentren aplicaciones de los métodos nuevos en ciencia de materiales y biología para extraer información de forma no invasiva de sistemas confinados, como en capilares, poros y células. Además, pueden ser aplicables para reparar estados de espín nucleares para memorias cuánticas y útiles para captar imágenes de tejidos vivos mediante la observación de nanodiamantes polarizados. Los nanodiamantes se pueden inyectar y después eliminar con seguridad en animales vivos o, alternativamente, se pueden poner en contacto con otras soluciones líquidas para transferir la polarización de los diamantes a la solución.

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Palabras clave

Control cuántico, detección cuántica, sistemas cuánticos, ordenadores cuánticos, espín nuclear, secuencias de espín-eco, resonancia magnética nuclear, captación de imágenes de resonancia magnética, centros de vacantes de nitrógeno, sistemas confinados
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