Taller de Tecnologías Cuánticas en la Ciencia y las Ingenierías 2026

The Quantum Information Technologies Landscape

Mini curso:

El gato está ¡vivo y muerto!

Ciencia de la Información Cuántica y la Química Cuántica 

Magnetometría óptica y los límites cuánticos en la resolución de los sensores magnéticos

Los magnetómetros ópticos basados en la precesión de espín representan hoy el estado del arte en magnetometría. En su versión de vapor atómico, han alcanzado sensibilidades por debajo de 1 fT y están posicionados para transformar tecnologías de alto impacto, enfocadas en el diagnóstico neurológico o la navegación magnética. En su versión de super fluidos magnéticos, estos magnetómetros son uno de los pocos sistemas físicos capaces de romper la barrera histórica de la resolución de energía (ER) limitada a ℏ, que condiciona las capacidades conjuntas de resolución de campo, resolución espacial y ancho de banda. En esta charla cubriremos tres bloques: 1. Fundamentos de magnetometría óptica en elementos alcalinos, incluyendo el límite cuántico estándar (SQL) y el efecto de las colisiones en la magnetización macroscópica. 2. Implementaciones experimentales — tanto en vapores atómicos calientes como en gases ultrafríos — para apreciar la riqueza tecnológica que acompaña el desarrollo de estos sensores (cámaras de vacío, sistemas láser, sistemas de control determinista basados en FPGAs, etc.) 3. Resultados de vanguardia, donde presentaremos un condensado de Bose-Einstein espinorial con ER << ℏ. Estos avances demuestran cómo las interacciones coherentes a temperatura cero permiten superar las limitaciones fundamentales que afectan a los sistemas a temperatura finita. Al mismo tiempo, abren la puerta al estudio de aplicaciones que requieren resoluciones energéticas extremadamente exigentes, como la detección de campos magnéticos generados por neuronas individuales.

Fotones entrelazados y sus aplicaciones en tecnologías cuánticas

Las tecnologías cuánticas se fundamentan en una combinación de propiedades esenciales como la indistinguibilidad, la correlación y el entrelazamiento. Una de las plataformas más versátiles es la fotónica, la cual permite la validación de estados de Bell fotónicos para demostrar la naturaleza no local de la realidad y requiere la generación de parejas de fotones mediante procesos no lineales como la Conversión Paramétrica Descendente Espontánea (SPDC). Utilizando cristales en bulto como el BBO, o arquitecturas de ingeniería de fase como el PPKTP y el PPLN, es posible realizar una ingeniería de estados cuánticos precisa al controlar grados de libertad fundamentales como la frecuencia, el vector de onda, la polarización y el momento angular orbital. Esta manipulación es la base de aplicaciones críticas como la Distribución Cuántica de Claves (QKD) mediante los protocolos BB84 y E91, la teleportación cuántica para el desarrollo de redes de larga distancia y la metrología cuántica. En esta última, el uso de estados NOON permite mejorar la sensibilidad en sensores ópticos y relojes atómicos, superando el límite estándar cuántico. Asimismo, en el área de imagenología, técnicas como el Ghost Imaging y la microscopía de correlación (QOCT) ofrecen una resolución y resistencia al ruido superiores, operando con un bajo conteo de fotones para proteger muestras sensibles. El principal reto para escalar estos laboratorios de investigación y docencia es el costo de los detectores semiconductores de silicio para la región del infrarrojo cercano y de InGaAs para la región de las telecomunicaciones, así como de la electrónica de coincidencia rápida con resolución de picosegundos. Actualmente estoy trabajando en democratizar el acceso a la óptica cuántica mediante el desarrollo de experimentos fundamentales de bajo costo. Estos esfuerzos buscan sentar las bases para una formación científica avanzada y accesible, demostrando que es posible explorar la vanguardia tecnológica con infraestructuras optimizadas.

Tiempo de arribo en estados comprimidos

En este trabajo usamos el formalismo de la Mecánica Bohmiana para obtener una descripción analítica del tiempo de arribo para estados cuánticos comprimidos, superando las limitaciones de la interpretación estándar. Obtenemos que la distribución de estos tiempos depende directamente de parámetros físicos controlables, como la posición del detector y la fase del estado inicial. En el contexto de las tecnologías cuánticas, estos hallazgos pueden ser interesantes para el Muestreo de Bosones Gaussianos (GBS), ya que podrían permitir optimizar la sincronización y detección de fotones en dispositivos de computación fotónica.

Dinámica de acoplamientos colectivos en sistemas de uno y dos átomos de rubidio

Presentamos un tratamiento microscópico para describir la competencia entre acoplamientos colectivos coherentes y procesos disipativos en sistemas atómicos multinivel, aplicado al caso de mezcla de cuatro ondas en una nube fría de átomos de rubidio donde dominan las interacciones de dos cuerpos. Partiendo de un modelo cuántico de emisores acoplados al campo electromagnético (incluyendo bombeo láser externo), derivamos ecuaciones dinámicas para los operadores atómicos que incorporan interacciones dipolares efectivas inducidas por el vacío y por los campos clásicos. Como sistema mínimo, analizamos dos átomos de cuatro niveles excitados coherentemente, identificando la estructura de estados vestidos colectivos y su organización en subespacios determinados por reglas de selección. Mostramos la existencia de tres regímenes dinámicos —dominados por el láser, por la interacción dipolar o mixtos— y caracterizamos cómo la respuesta colectiva se imprime en el espectro y en la tasa de emisión de los fotones generados. Se identifican condiciones en las que los modelos macroscópicos estándar fallan en capturar la estructura fina de la respuesta electromagnética, destacando el papel de variables colectivas relevantes para el control cuántico del ensamble.

Estados Gaussianos bosónicos: equivalencia de los enfoques analítico y combinatorio

Los estados cuánticos Gaussianos (bosónicos y fermiónicos) son una extensión natural al contexto cuántico de la noción de distribución normal o Gaussiana. Tales estados junto con las nociones de canales y semigrupos Gaussianos, se aplican ampliamente en información cuántica, óptica y teoría cuántica de campos, entre otros. Debido a su importancia, es prioritario elaborar un análisis matemáticamente riguroso de la estructura de estos estados, estableciendo un marco donde las propiedades de Gaussianidad se entiendan mejor. En la representación de estados coherentes de las CCR’s en infinitos modos de oscilación, demostraremos la equivalencia de los enfoques analítico y combinatorio de estados Gaussianos bosónicos, enfatizando el rol que juega en esta equivalencia la desigualdad que expresa el principio de incertidumbre.

¿Qué se puede hacer con resultados de muy alta precisión al utilizar tecnologías cuánticas del siglo XXI?

En los últimos años, el desarrollo de dispositivos basados en las nuevas tecnologías cuánticas ha permitido ver el mundo de una manera diferente que antes parecía de ciencia ficción. Por ejemplo, en el ámbito de la metrología, el uso de átomos ultrafríos y estados entrelazados permite establecer estándares de tiempo y frecuencia tan estables que no perderían ni un segundo en miles de millones de años. Por otra parte, la gravimetría cuántica de mediciones de alta precición en interferometría atómica permite hacer cartografía precisa de recursos subterráneos y el monitoreo de acuíferos sin la necesidad de utilizar sistemas satelitales o de prospección geológica invasiva. De hecho estas mediciones han permitido definir la navegación inercial sin necesidad de utilizar satélites, convirtiendo a los sensores cuánticos en herramientas indispensables para la geofísica e infraestructura del futuro. Incluso, en algunos países este tipo de sensores se ha comenzado a utilizar en ejércitos. A diferencia del GPS tradicional, que depende de señales de satélite vulnerables, interferencias o bloqueos, los acelerómetros y giroscopios cuánticos actúan sistemas de posicionamiento ultraprecisos. En esta presentación revisaremos algunos modelos que permiten proporcionar información del subsuelo cuando se tienen mediciones de muy alta precisión. Principalmente nos enfocaremos en tratar de resolver el problema inverso cuando se tienen mediciones de muy alta precisión, es decir, se revisará parte del proceso tomográfico necesario para entender las señales que se puedan obtener de dispositivos de muy alta precisión para poder interpretarlos en términos de lo que se puede encontrar en el subsuelo.

Gravimetría cuántica

La gravimetría cuántica ha emergido en los últimos años como una de las aplicaciones más prometedoras de los sensores cuánticos para la medición de la aceleración local de la gravedad con una exactitud y estabilidad sin precedentes. A diferencia de los gravímetros clásicos, que se basan en sistemas mecánicos, los gravímetros cuánticos emplean átomos fríos o ultrafríos manipulados mediante pulsos láser y técnicas de interferometría atómica. A temperaturas del orden de microkelvin o inferiores, la naturaleza ondulatoria de los átomos puede explotarse para dividir y recombinar paquetes de ondas de materia, formando interferómetros atómicos análogos a los interferómetros ópticos tipo Mach–Zehnder. En estos sistemas, la fase interferométrica acumulada por los átomos es directamente sensible a la aceleración gravitacional, lo que permite realizar mediciones de muy alta exactitud del campo gravitacional. En la última década, los avances en enfriamiento y manipulación de átomos han permitido el desarrollo de gravímetros cuánticos cada vez más estables y exactos, posicionándolos como instrumentos de gran interés tanto en metrología como en geofísica aplicada. Estos sensores permiten detectar variaciones extremadamente pequeñas del campo gravitacional asociadas con cambios en la distribución de masas, lo que abre nuevas posibilidades para el monitoreo de acuíferos, actividad volcánica y procesos tectónicos. Asimismo, presentan un potencial considerable para aplicaciones en navegación inercial de alta precisión, particularmente en entornos donde los sistemas basados en satélites no están disponibles. Debido a su elevada sensibilidad y estabilidad, la gravimetría cuántica también ofrece una plataforma experimental atractiva para realizar mediciones de alta precisión en física fundamental, incluyendo pruebas de teorías de la gravedad. En este contexto, los gravímetros cuánticos se han consolidado como una de las herramientas más avanzadas dentro del conjunto de tecnologías cuánticas emergentes, con un impacto creciente en metrología, geociencias y física fundamental.

El momento angular de la luz como un problema de autointerferencia

La producción de haces estructurados de luz es una tecnología que permite la micromanipulación y formas más robustas de comunicación cuántica.  Existen diferentes técnicas para generar momento angular orbital en fotones individuales. Sin embargo, nos preguntamos cómo es que la luz puede orbitar  alrededor de un eje privilegiado. Esta pregunta constituye un buen pretexto para el tratamiento cuántico de la luz estructurada a partir de la autointerferencia angular de fotones individuales.  

Decaimiento de dos átomos de dos niveles acoplados en electrodinámica cuántica de campos en guías de onda

El decaimiento de átomos acoplados e inicialmente excitados da lugar al conocido efecto de superradiancia. En el modelo teórico, se asume que los átomos están próximos, lo que da lugar a descartar efectos de retardo. En este trabajo mostramos que si los átomos están separados pero continúan interactuando, por ejemplo a través de una guía de onda, emergen comportamientos cualitativamente nuevos. Estos incluyen tasas de decaimiento que superan las predichas por la superradiancia, la creación de estados atómicos entrelazados, una pequeña probabilidad de creación de un estado NOON, y una cavidad de dos átomos con dos fotones en su interior.

Distribución cuántica de claves con nodos pasivos: el enfoque Loop-Back para comunicaciones escalables.

La distribución cuántica de claves (QKD) ofrece seguridad basada en principios físicos, pero su adopción a gran escala enfrenta limitaciones prácticas asociadas a la complejidad de los nodos y a la necesidad de componentes activos en ambos extremos del canal. En esta charla se presenta un enfoque alternativo basado en arquitecturas pasivas de QKD, centrado en el esquema Loop-Back, donde la generación y el control de los estados cuánticos se concentran en un solo nodo, mientras que el segundo actúa como un elemento pasivo dentro del protocolo. Se discute la formulación conceptual de este esquema y su relación con los fundamentos de la criptografía cuántica, desde las ideas originales de Wiesner hasta los protocolos tipo BB84, destacando cómo la pasividad introduce nuevas consideraciones en el modelo de seguridad y en la superficie de ataque del sistema. Asimismo, se analizan las implicaciones de este enfoque en términos de reducción de complejidad, portabilidad y potencial integración en entornos de comunicación reales. Finalmente, se presentan escenarios de aplicación en contextos móviles y de Internet de las Cosas, donde estas arquitecturas podrían habilitar esquemas de autenticación y distribución de claves con garantías cuánticas bajo restricciones de costo y tamaño.