Arau berriak, jostailu berriak

CAF-Elhuyar 2024 saria (Dibulgazio-artikulua orokorra)

Gasteizko Ingenieritza Eskolako irakaslea, EHU Quantun Center-eko ikertzailea, Fisika teorikoan doktorea

Zabaldu:
Twitter
Facebook
Emaila

Gizakiok luze aritu gara teknologiaren jolastokian. Betidanik, egia esan. Oraindik Homo sapiens bat bera ere bizi ez zen garaian, baziren ehizarako zein jakien prestakuntzarako harrizko erremintak lantzen zituzten hominidoak. Izan ere, ahalmen hura izan zen homo generoko lehenengo kideak beren aitzindariengandik bereizi zituen ezaugarria. Gaur, kaleratu berri den mugikorrarekin edota adimen artifizialeko aplikazioren batekin lotzen dugun kontzeptua den arren, izatez, teknologia, jakintza da. Mendeetan zehar, ingurunea ulertzen eta menderatzen ahalbidetu gaituzten tekniken eta trebetasunen inguruko jakintza, alegia. Gu, gizakia, definitzen gaituen gaitasuna.

Harrizko erremintez geroztik, buru-belarri ibili gara teknologiaren jolastokia miatzen. Bide luzea egin dugu suaren kontroletik Internetera, nekazaritzaren garapenetik, gurpilaren asmakuntzatik eta elektrizitatearen produkziotik igaroz. Bide horretan egindako azkenengo urratsak materiak eskala txikienetan duen portaera xelebrea arakatzera behartzen gaitu. 2 milioi urte baino gehiago jolastoki honetan, eta oraindik ere txoko berriak topatzen ditugu. Badirudi, gainera, txoko honetan gauzak ezberdin jokatzen direla, lege-sorta desberdin batek arautzen duela haien jarrera. Akaso lege berri horiek jostailu berriak garatzea ahalbidetu dezakete?

Arau berriak: Mekanika kuantikoa

XX. mendearen hasieran, garaiko jakintzaren baitan ulertezinak suertatzen ziren zenbait emaitzen harira, materiaren funtsezko portaeraren inguruko kontzeptu berriak ezagutu ziren. Energiaren izaera diskretua (ez-jarraitua) horietako bat da. Gure eguneroko bizitzan, energia era jarraituan elkartrukatzen ikusten dugu. Adibidez, mendira bagoaz, abiada-puntutik tontorreraino dauden altuera guztietatik pasatuko gara noiz edo noiz. Halaber, kotxea galgatzean, hasierako baliotik zerora doazen abiadura guztiak hartzen ditu autoak, guzti guztiak. Hau da, energia (potentziala kasu batean, zinetikoa bestean) modu jarraituan eskuratzen edo galtzen dugu. Aldiz, eskala atomikoan, energia paketetxoetan trukatzen da, hots, jauzika aldatzen da. Diru-trukea balitz bezala, non hartu edo eman dezakegun kantitaterik baxuena txanpon txikienaren balioak ezartzen duen, bada energia trukatzeko balio minimo bat: kuantua.

Energiaren izaera diskretuaren ezagutzak lehen iraultza kuantikoa eragin zuen, eta gaurko munduari forma ematen dioten hainbat teknologiaren garapena bermatu zuen; transistorea, esaterako. Askorentzat XX. mendeko asmakizunik garrantzitsuena den hori egun nonahikoak diren tresna elektroniko guztien oinarri da, eta bilioi aletik gora fabrikatzen dira segundo oro munduan. Segundo oro! Ez da gutxi! Erloju atomikoak ere lehenengo iraultza kuantikoaren baitan garatu ziren. Horiek atomo baten bi energia-mailaren arteko aldean oinarritzen dira denbora neurtzeko, eta egungo komunikazio-sistemen funtzionamendua, Internet medio, honelako erlojuak emandako neurketa zehatzen menpe dago (ikusi 1. irudia).

1. irudia. Energiaren izaera diskretuen ezagutzan oinarritutako teknologiak. Material erdieroaleen propietate elektrikoak banda-teoriari esker ulertu ziren, eta transistorearen garapena bermatu zuten. Atomoa energia-maila batetik bestera pasatzean igortzen den uhinaren maiztasuna hartzen dute erloju atomikoek erreferentzia moduan. Arg. Ander Tobalina Novo

Beraz, badira jada mekanika kuantikoan oinarritutako teknologiak gure artean. Nolanahi ere, gaur, bigarren iraultza kuantiko bat abian dela diogu. Zerk eragin du iraultza berri hori? Bada, ingeniaritza-arloan egindako aurrerapenak banakako sistema kuantikoak kontrolatzea ahalbidetu du, eta horrek, aldi berean, fenomeno kuantiko berriak ustiatzeko aukera eman du; bereziki, gainezarmena. Gainezarmena, motz esanda, sistema kuantiko batek aldi berean posible diren egoera guztietan existitzeko duen gaitasuna da. Hala, sistemaren propietate bat neurtzerakoan, onartutako edozein balio lor dezakegu (energiaren izaera diskretuak balio asko baztertzen ditu) bakoitzari dagokion probabilitatearekin. Gainezarmenak, gainera, sistemen arteko korrelazio berezia ahalbidetzen du, korapilatze kuantikoa, sistemak elkarrengandik urrun egon arren mantentzen den korrelazioa. Printzipio kuantiko horien inguruan azalpen bikaina aurkitu dezakezue Gorka Azkuneren "Fikzioa errealitate bihurtzen denean" artikuluan. [1].

Jostailu berriak: Ordenagailu kuantikoa

Arau berri hauek eskuan ditugula, irrikitan gaude jolasean hasteko; baina nondik hasi? Teknologiaren jolastokian bada jostailurik preziatuenek komunean daukaten ezaugarri bat: informazioa prozesatzen duen gailu elektroniko bat dute nonbait, hots, ordenagailu bat. Sistema kuantikoak erabiliz makina horiek hobetzea posible balitz, abiapuntu ederra lirateke.

Ordenagailu batek, funtsean, informazioa hartu eta horrekin operazio logikoak egiten ditu, kasuan kasuko arazoa ebazteko. Gero eta handiago izan burutu beharreko operazio-kopurua, gero eta denbora luzeagoa beharko du ordenagailuak arazoa ebazteko. Zenbait arazoren ebazpen-denbora, munduko ordenagailu ahaltsuenetan ere, unibertsoaren adinetik gorakoa dela badakigu. Horrelako arazoen ohiko adibidea zenbaki osoen faktorizazioa da. Nolanahi ere, 1997an argitaraturiko lan batean, gainezarmen kuantikoa ustiatzen duen ordenagailu batek zenbakien faktorizazioa denbora laburrean ebatz dezakeela frogatu zuen Peter Shorek [2]. Arazo hori munduko enkriptatze-sistema gehienen oinarri dela kontuan hartuta, ez da harritzekoa lan horrek sortutako zalaparta. Agerian geratu zen ordenagailu kuantikoak ordura arte ezinezkotzat jotzen ziren arazoak ebazteko aukera zabaltzen zuela.

Harrezkeroztik, munduko enpresa eta gobernu boteretsuenen eskutik, ordenagailu kuantikoa lortzeko lasterketa teknologikoa ezagutu dugu, hotsandiko albistez [3] eta egundoko porrotez [4] jositako norgehiagoka (gai honetan sakontzeko, Iñigo Arrazolak idatzitako artikulura jo dezakezue [5]). Hala ere, 25 urte baino gehiago pasatu dira, eta ordenagailu kuantikorik ez da gure etxeetan. Zergatik ez? Arrazoi nagusia sistema kuantikoen sentikortasun itzela da. Inguruneak sistema kuantikoetan duen eraginak gainezarmena deuseztatzen du. Beraz, propietate hori ustiatzeko, sistemak ingurunetik erabat isolatuta mantendu behar dira denbora-tarte luzeetan, eta hori erronka tekniko galanta da. Hori gutxi ez eta, informazioa prozesatzeko, halako sistemen egoera era zehatzean kontrolatu behar da. Sistema bakar bat maneiatzea ez da zaila (laborategi espezializatuetan, behintzat), baina arazo errealak ebazteko sistema dezente behar dira, elkarrekintzan, eta horrek egoeren kontrola izugarri zailtzen du. Antza denez, zailtasun horiek erabat gainditzeko urte anitz falta dira. Bitartean, badira zenbait sektoretan erabilgarriak diren ordenagailu kuantiko apalak, baina badirudi benetako iraultza sortuko duen jostailurik ez dela egongo epe laburrean.

Zentzudun jolastuz: Sentsore kuantikoak

Ez gaitezen gogogabetu, ordea. Izan ere, ordenagailu kuantikoen garapena oztopatzen duen ezaugarri berak —ingurunearekiko sentikortasunak, alegia— beste jostailu-mota bat lortzea errazten du. Sentsoreak [6] nonahi aurkitu ditzakegun gailuak dira, propietate fisikoak zehazki neurtzeak berebiziko garrantzia baitu gure gizartearen arlo askotan. Medikuntza da horren adibide nabarmena, non gorputzaren funtzionamenduari buruzko informazio zehatza lortzeak diagnostiko eta tratamendu egokira eraman baikaitzake.

Erresonantzia magnetiko nuklearra informazio hori eskuratzeko prozedurarik erabilienetakoa da. Gure gorputzeko atomoek (ur-molekuletan dauden hidrogenoak, batez ere), eremu magnetikoen eta irrati-uhinen aurrean duten erantzunaren ondorioz, seinale magnetiko bat igortzen dute, eta, seinale hori neurtuz, atomo igorleen kokapena zehaztu daiteke, eta, horrela, gorputzaren barne-irudia eraiki. Askotariko egiturak (artikulazioak, organoak, etab.) aztertzeko hobesten den prozedura da, eta, oro har, arrakasta handiko proba diagnostikoa. Halere, asko du hobetzeko prozedura horrek.

Ospitaleko erresonantzia-makinak erabiltzen dituzten sentsoreen sentikortasuna baxua da, hots, nekez antzematen dituzte seinale magnetiko ahulak; hain zuzen, gure gorputzak igortzen dituenen modukoak. Horrek eremu magnetiko oso altuak sortzeko beharra dakar (sortutako seinalea eremuarekiko proportzionala baita), eta, horrenbestez, makinen konplexutasun teknikoa eta prezioa handitzen dira. Ondorioz, noizean behingo prozedura dugu, gaur, erresonantzia magnetikoa, jada beste probek arazo bat iradokitzen dutenean egiten dena, eta itxaron-zerrenda luzeak izan ohi dituena. Egongo al da, jolastokiaren txoko bitxi honetan, egoera hori arindu dezakeen jostailuren bat? Bada, egon badago, diamantez egindakoa gainera.

2. irudia. NV zentroa diamantearen karbono-egituran, eta horren erantzuna seinale magnetikoari: energia-mailen arteko diferentzia seinalearekiko proportzionala da. Arg. Ander Tobalina Novo

Diamantea karbono-atomoen sare bat da, eta sare horretan akatsak ager daitezke; adibidez, karbono baten ordez nitrogeno bat ager daiteke, eta alboko leku batean hutsune bat. Egitura horri NV zentroa deritzogu (Nitrogen-Vacancy ingelesez), eta teknologia kuantikoa garatzeko plataforma ezin hobea da [7]; kontrolatzen erraza, merkea eta giro-tenperaturan lan egiten duena. Gainera, hainbat propietate fisikoren aldaketei erantzuten die, eremu magnetikoa barne; beraz, sentsore-lanak egiteko aproposa da (ikusi 2. irudia). Are gehiago, NV zentroak txit sentikorrak dira, eremu magnetikoaren aldaketarik ñimiñoenak ere sumatzen baitituzte. Halako sistemekin erresonantzia magnetikoaren testuinguruan egindako saiakerek emaitza harrigarriak izan dituzte: molekula bakar batek igorritako seinale magnetikoa antzeman da, [8] eta zelula bakarreko bereizmena duten erresonantzia bidezko irudiak lortu dira, [9] besteak beste. Gainera, badira jada aipatutako esperimentuetan oinarritutako produktuak garatu dituzten erakundeak, zeinak biharko ospitaletan erresonantzia magnetikoa ohiko prozedura izateko bidea urratu baitute (ikusi 3. irudia).

3. irudia. Ezkerraldean ohiko erresonantzia magnetikoko makina eta, eskuinaldean NV zentroan oinarritutako erresonantzia magnetikoko sentsorea. Bakoitzaren tamainaren eta salneurriaren informazioa. Arg. Ander Tobalina Novo

Erresonantzia magnetikoko seinaleen neurketa sentsore kuantikoek duten ahalmen eraldakorraren adibide bat baino ez da; esanguratsua noski, baina adibide bat, azken finean. Ildo beretik beste hamaika orri bete genitzake, bata bestea bezain nabarmenak diren aplikazioak azalduz. Hala ere, halako jostailuek arreta gutxi bereganatu ohi dute, nahiz eta gizartearen beharrak asetzeko hurbilen dauden gailu kuantikoak diren. Bada garaia, beraz, sentsore kuantikoak xarmagarriagoak diren teknologien gerizpetik ateratzeko eta merezi duten atentzioa jasotzeko.

Bibliografia

[1] Azkune Galparsoro, G. 2014. “Fikzioa errealitate bihurtzen denean”. Elhuyar Aldizkaria, 308.

[2] W. Shor, P. 1997. “Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer”. SIAM Journal on Computing, 26, 5.

[3] Arute, F. et al. 2019. “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”. Nature, 574, 505-510.

[4] Pednault, E.; Maslov, D.; Gunnels, J. eta Gambetta, J. 2019 “On ‘quantum supremacy’”. IBM blog.

[5] Arrazola Maiztegi, I. 2020. “Google eta nagusitasun kuantikoa”. Elhuyar Aldizkaria, 340.

[6] Degen, C. L.; Reinhard, F. eta Cappellaro, P. 2017. “Quantum sensing”. Rev. Mod. Phys. 89.

[7] Doherty, M.W. et al. 2013. “The nitrogen-vacancy colour centre in diamond”. Physics Reports, 528, 1, 1-45.

[8] Lovchinsky, I. et al 2016. “Nuclear magnetic resonance detection and spectroscopy of single proteins using quantum logic”. Science, 351, 6275, 836-841.

[9] Glenn, D.R. 2015. “Single-cell magnetic imaging using a quantum diamond microscope”. Nature Methods, 12, 736-738.