Danna Freedman: ¿cómo usar moléculas para proteger la información cuántica?

La teoría cuántica nació hace un siglo, pero su desarrollo sigue en marcha, y todavía hay muchos aspectos que los científicos no entendemos. Entre ellos está el de cómo aprovechar las posibilidades de los cúbits, los sistemas cuánticos de dos estados. Como muestra el célebre experimento mental del gato de Schrödinger, un sistema cuántico de dos estados presenta comportamientos fundamentalmente distintos a los de nuestra experiencia cotidiana, como mantenerse en una superposición coherente entre dos estados. El paso revolucionario será aprovechar estos comportamientos radicalmente distintos para aplicaciones de utilidad social.

Esta “gata en una caja” no es cuántica, así que solamente está en un estado: viva.

En los sistemas cuánticos de dos estados o cúbits se apoyan –o se apoyarán– buena parte de las tecnologías cuánticas de la siguiente generación, pero no antes de que solucionemos su principal problema, que es mantener la estabilidad (o coherencia cuántica) de la información durante un tiempo largo. Aunque este problema está lejos de estar resuelto, Danna Freedman dio un salto adelante en este campo, trabajando con cúbits moleculares: moléculas magnéticas (como un imán) donde la dirección a la que apunta el campo generado por la molécula es lo que se emplea para codificar y procesar información.

Danna Freedman. Imagen: Northwestern University.

Danna Freedman creció en la parte alta del estado de Nueva York, “en un pueblo en el que quizá había más vacas que personas”. En el primero de una serie de viajes por los centros más prestigiosos de EE. UU., se trasladó a Harvard a cursar la carrera de química. Allí se inició a la investigación en el campo de los nanotubos de carbono, y mediante una colaboración fortuita tuvo su primer contacto con las moléculas imán, que se mantuvieron en el foco de toda su tesis doctoral en Berkeley.

Tomándose un descanso de una tesis llena de imanes cero-dimensionales, su primera etapa postdoctoral la dedicó al magnetismo bidimensional, en el MIT, donde trabajó en sistemas magnéticos exóticos conocidos como líquidos de espín.

Su etapa más productiva comenzó en 2012, al ponerse a la cabeza de su propio equipo de investigación en la Northwestern University de Chicago, donde trabaja como profesora asociada. Su laboratorio se apoya en la química inorgánica sintética para aportar información de interés para todo tipo de problemas de interés en física, desde el magnetismo a la superconductividad o la computación cuántica. En este último campo, en 2015, fueron capaces de establecer un record mundial para la estabilidad de un bit cuántico (o cúbit) molecular: 0.7 milisegundos.

La literatura científica era clara desde hacía años sobre los requisitos para obtener un cúbit de espín molecular con tiempo largo de coherencia cuántica. A falta de comprender algunos detalles sobre los mecanismos (en particular en lo que se refiere a las vibraciones moleculares) los requisitos fundamentales que se daban eran: primero, ausencia de espines electrónicos en el entorno; segundo, ausencia de espines nucleares en el entorno.

El espín es una propiedad de los electrones y de los núcleos atómicos, y que se relaciona con el campo magnético. Como los imanes, todas las partículas con espín se influyen unas a otras, y de manera que la información cuántica que pueda haber codificada en el espín electrónico de una molécula se ve afectada por el “ruido” de todos los campos magnéticos que hay a su alrededor.

El primer requisito es relativamente fácil de lograr, por dilución química. Ya sea en una estructura química análoga pero no-magnética (por ejemplo dispersar unas pocas moléculas magnéticas basadas en Cu2+ como dopantes en un cristal de formada por moléculas basadas en Zn2+), ya sea en una disolución. Basta con que la molécula elegida como cúbit esté lejos de otras como ella, de forma que sus señales magnéticas no interfieran.

Imagen tomada del artículo: Zadrozny, J. M.; Niklas, J.; Poluektov, O. G.; Freedman, D. E., “Millisecond Coherence Time in a Tunable Molecular Electronic Spin Qubit”, ACS Cent. Sci. 2015, 1, 488-492

De entre diversas moléculas probadas por el equipo de Freedman, la mejor, [V(C8S8)3]-, conservó la información cuántica durante 0.7 milisegundos.

El segundo requisito, en cambio, es tremendamente exigente: los espines nucleares están por todas partes. Es cierto que cada isótopo de un elemento puede tener un espín nuclear distinto (el núcleo del hidrógeno/protio es distinto del espín del deuterio). Sin embargo, todos los isótopos de todos los elementos impares tienen espín nuclear, es decir que evitar el espín nuclear significa hacer química solo con elementos pares. Quien sabe algo de química, se da cuenta de la dificultad de trabajar renunciando al hidrógeno y al nitrógeno para las moléculas, y a todos los alcalinos y halógenos como contraiones. Sin embargo, el hecho es que sí existe una rica química basada en ligandos formados exclusivamente por carbono y azufre, y además es posible disolver algunos de estos complejos en disulfuro de carbono, de forma que también el disolvente esté libre de espines. El record de tiempo de coherencia que obtuvo el equipo de Danna Freedman con el complejo [V(C8S8)3]-, cerca de un milisegundo en condiciones óptimas, superó al anterior en un orden de magnitud… y todavía no ha sido igualado. El compuesto estaba ya descrito en la literatura, pero nadie había caído en la cuenta de su potencial como cúbit de espín molecular. Como mostró Freedman, la clave está en leer –y entender– la bastante física como para comprender bien los requisitos que se piden a un sistema interesante, y la bastante química para dar con esos sistemas, o con rutas sintéticas asequibles para su obtención.

Entre sus muchos reconocimientos, Freedman recibió el Faculty Early Career Development de la National Science Fundation (un premio que reconoce a individuos que ejemplifican el papel de profesor-investigador) y fue galardonada por Obama con la medalla presidencial para la carrera temprana para científicos e ingenieros. Como parte de su colaboración Museum of Science and Industry de Chicago, Freedman grabó este video sobre magnetismo para su exhibición en dicho museo:

Además de coordinar un grupo puntero de investigación y de embarcarse en tareas divulgativas, Freedman es parte de la Chemistry Women Mentorship Network, una red estadounidense de químicas en el mundo académico, dedicada a dar apoyo y a ser mentoras a mujeres jóvenes que estén considerando una carrera académica.

Sobre el autor

Alejandro Gaita Ariño es doctor en química, investigador en el Instituto de Ciencia Molecular de la Universitat de Valéncia, y escribe sobre ciencia y mundo académico con una perspectiva social en lamarea.com.

Deja un comentario

Obligatorio

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>