Caracterización de canales cuánticos multidimensionales

Investigadores del Laboratorio de Procesado de Imágenes (LPI) publicaron en Optics Letters un trabajo sobre la caracterización de canales cuánticos por medio de tomografía. La novedad es que a través de una arquitectura óptica simple -basada en moduladores espaciales de fase programable- el grupo logró caracterizar procesos generales en sistemas cuánticos fotónicos en espacios de Hilbert multidimensionales.

“Nos interesaba mostrar, por un lado, la reconstrucción de fuentes de errores típicos en las distintas etapas de cómputo de un algoritmo cuántico; y, por otro, procesos turbulentos como los que suelen afectar las transmisiones de información a través de la atmósfera. Esto es de suma importancia, ya que nos permite reproducir procesos reales interesantes en un ambiente controlado”, explica Lorena Rebón, una de las autoras del trabajo.

Desde hace algunos años, el LPI desarrolla esta línea de investigación que incluye la generación, manipulación y caracterización de qudits para aplicaciones de información cuántica. Para transmitir información cuántica a lo largo de un canal de comunicación o para estudiar, por ejemplo, la dinámica de un sistema cuántico, es necesario realizar operaciones cuánticas en los estados elegidos para tal fin. Los fotones ofrecen la posibilidad de codificar la información en otros grados de libertad, tales como el momento angular orbital o el momento lineal que, a diferencia de la polarización, están descritos por una base de estados de dimensión mayor a dos.

Para poder corregir los errores de comunicación, los investigadores necesitan caracterizar el funcionamiento de los dispositivos involucrados y de los canales por donde se envía la información. Esto se realiza experimentalmente mediante la técnica de caracterización de procesos que se conoce como Tomografía Cuántica de Procesos. La información obtenida permite conocer cuál será la evolución que seguirá un estado cuántico arbitrario.   

El experimento se basa en moduladores de cristal líquido que permiten caracterizar el efecto de un canal de comunicación cuántico -cuyo comportamiento es en principio desconocido- sobre el estado en el que actúa. “Debido a su versatilidad nos permite caracterizar procesos que actúan sobre estados de dimensión d, en principio arbitraria.  Además, permite mostrar la capacidad de simular procesos complejos -como los que suceden en medios turbulentos- y, dependiendo de la intensidad de la turbulencia, recuperar la información inicial”.

Autores: J. J. M. VARGA, L. REBÓN, PEARS STEFANO,  AND C. IEMMI.

“Characterizing d-dimensional quantum channels by means of quantum process tomography” (Optics Letters 43, 4398-4401) del 15 de septiembre de 2018.

Natural inspiración

El azulejo golondrina es un pájaro que puede verse en el norte de Argentina y en otros países de Latinoamérica; su color alterna notablemente entre el azul y el verde debido a la incidencia de la luz en el plumaje y a la dirección en la que se lo observa. El grupo de Electromagnetismo Aplicado del Departamento de Física acaba de publicar una investigación sobre un modelo teórico que permite simular el desorden de los cristales fotónicos, inspirado en la microestructura particular que poseen las plumas de esta especie.

“El trabajo surgió por la inquietud de un grupo de investigadores del Museo de Ciencias Naturales; ellos habían estudiado el color estructural en la especie Tersina viridis y sabían que la tonalidad se veía influida tanto por el ángulo de observación como por el de incidencia”, explica Diana Skigin, profesora e investigadora del Instituto de Física de Buenos Aires, y agrega: “En una primera etapa, nuestro grupo focalizó su aporte en conocer en profundidad la microestructura natural presente  dentro de la pluma del ave; los materiales que la componen; los parámetros de organización y disposición y las simetrías a través de técnicas de microscopía electrónica, para luego poder formular un modelo electromagnético adecuado”.

El color estructural, a diferencia de la coloración por pigmentos, es producido por la interacción  entre la luz y una nanoestructura, cuyas características típicas son del orden de la de la longitud de onda del espectro visible: entre 380 y 780 nanómetros. En este caso, las ondas electromagnéticas son interceptadas por los pequeños hilos de una pluma, sus barbas y bárbulas. “Pudimos ver que la microestructura está compuesta por esferas de aire inmersas en una matriz de beta-queratina; dispuestas de manera irregular. Las esferas tienen un tamaño bastante uniforme pero su distribución es desordenada”, dice Skigin.

El desafío fue modelar la respuesta electromagnética de esa estructura fotónica particular que los investigadores definen como “cuasi ordenada”, y para eso utilizaron un método que sirve para tratar estructuras que son estrictamente periódicas. “En la simulación estimamos la respuesta reflejada promediando los espectros de reflectancia calculados a través del método Korringa-Kohn-Rostoker para diferentes parámetros geométricos. Y, también, aplicamos la aproximación de extinción interna, que permite representar imperfecciones en la estructura agregando una pequeña parte imaginaria a la constante dieléctrica de las inclusiones”.

Es la primera vez que este método se utiliza para modelar la respuesta electromagnética de una estructura biológica. El modelo permite hacer un estudio general de la estructura y así modificar parámetros teóricamente, inspirarse para el diseño de posibles nuevas estructuras.

Mario Alberto Castagnino (1935-2018)

Por Esteban Calzetta, Buenos Aires, 4 de Septiembre de 2018.

El Dr. Mario Castagnino falleció el 27 de Agosto de 2018 en su ciudad natal, Rosario. Se doctoró en Matemáticas en la Universidad de Roma (1965) y en Física en la Universidad de París (1974). Fue profesor de los departamentos de Matemática (1971-1987) y Física desde 1987. Fue designado Profesor Emérito de la Universidad de Buenos Aires en 2002. Fue Investigador Superior del CONICET (desde 1995) y Beca Antorchas (1990).

El impacto institucional de su trabajo ha sido enorme. Fue Director del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Matemáticas de la Universidad Nacional del Litoral (1965-70), bajo cuya dirección se creó la Licenciatura en Física; Decano de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Exactas de la Universidad Nacional de Rosario (1971-72), donde fue determinante su contribución para la radicación de los primeros grupos de investigación, y Director-Organizador del Instituto de Física de Rosario (1980-87). También participó en la creación del Planetario y Observatorio de Rosario (1981). De hecho, su actividad trascendió los límites de la disciplina, ya que desde la Fundación Castagnino fue un animador de las actividades del Museo homónimo y del Museo de Arte Contemporáneo de Rosario (MACRO), que contribuyó a crear. Por estos aportes la ciudad de Rosario lo designó Ciudadano Ilustre en 2016.

Su obra también trascendió nuestras fronteras, ya que promovió los estudios en relatividad general y cosmología en toda América Latina. Fue un impulsor de los Simposios Latinoamericanos de Relatividad y Gravitación, y luego de los encuentros Gravedad Cuántica en el Cono Sur, los que ayudaron a conectar a los distintos grupos activos en la región y potenciaron así su desempeño. Participó en innumerables colaboraciones internacionales, destacándose sus intercambios con el Prof. Ilya Prigogine de la Universidad Libre de Bruselas. 

Además de ser autor de alrededor de 200 artículos científicos y ser reconocido internacionalmente como un pionero en el estudio de la teoría cuántica de campos en espacios curvos, a lo largo de su carrera el Dr. Castagnino sobresalió como formador de científicos. Dirigió Tesis Doctorales en Física, Matemáticas y Astronomía. Entre sus discípulos, tanto doctorandos como licenciandos, se encuentran ocho Profesores del Departamento de Física, tres de los cuales fueron además Directores del mismo.

Un aporte especialmente significativo en nuestro medio fue la creación y dirección del Grupo de Teorías Cuánticas Relativistas  y Gravitación, en el IAFE y el IFIR. Como señaló Juan Pablo Paz al solicitar la designación como Profesor Emérito de la UBA,

“(...) dicho grupo fue creciendo alrededor del Prof. Castagnino a partir de 1980, en momentos en los que no existía en Buenos Aires un conjunto de investigadores dedicados al estudio de la Física de Partículas y Gravitación. Con una excepcional visión de futuro y un original enfoque sobre la manera en que debe fomentarse la formación de un nuevo grupo de investigación, el Dr. Castagnino promovió en nuestro Departamento un área de la física que había estado prácticamente ausente desde los tiempos de Giambiagi y Bollini. No es posible soslayar el hecho de que varios investigadores jóvenes cuyas carreras estaban siendo arbitrariamente obstaculizadas encontraron en este grupo la oportunidad de desarrollarse y madurar profesionalmente, sin otras exigencias que la idoneidad y la pasión por la Ciencia".

Ya en este siglo, incorporó la Filosofía en el espectro de sus intereses, contribuyendo a crear el Grupo de Filosofía de las Ciencias (FCEN y Facultad de Filosofía y Letras) y siendo coautor, con Juan José Sanguineti, del libro "Tiempo y Universo" (Ed. Catálogos,  Buenos Aires, 2006).

Habiendo tenido el privilegio de trabajar con Mario por muchos años, me resulta difícil decidir qué aspecto de su personalidad me impresiona más, si la voracidad con la que se abalanzaba sobre cualquier oportunidad de aprender algo nuevo, o la generosidad con la que ponía su tiempo, sus conocimientos, su prestigio, y en oportunidades sus recursos materiales, a la disposición de quien lo pidiera, ya sea un colega, un discípulo, o un asistente a alguna de sus muchas, y excepcionales, charlas de divulgación.

Mario decía que de sus estudios cosmológicos había aprendido que, frente a la escala del Universo, si uno no se volvía humilde no había entendido nada. Mario era la manifestación concreta de esa enseñanza. Habiendo alcanzado la cúspide de la profesión, como científico y como gestor de la ciencia, nunca valoró nada tanto como la calma para seguir estudiando, y la compañía de gente joven con quienes compartir la maravilla de cada nuevo descubrimiento.