https://quantum2025.org/

Institute of Theoretical Physics 

Ulm University

Quantum Technologies for the Life Sciences

(sesión virtual)

Nuclear Magnetic Resonance (NMR), one of the most widely used spectroscopic techniques in biology and the life sciences, has a broad range of applications spanning from chemical analysis and drug discovery to medical imaging. However, it is inherently limited by its low sensitivity. This limitation is rooted in the weak nuclear spin polarisation in thermal equilibrium, typically amounting to a few parts per million, and the constraints of inductive NMR signal detection.

I discuss how both of these limitations can be overcome through the utilisation of quantum technologies. Specifically, I will demonstrate how optically detected magnetic resonance, employing colour centers in diamond, offers a means for the detection of NMR signals with chemical shift resolution at the nano- and miconscale. Furthermore, I discuss how quantum control can facilitate nuclear spin hyperpolarisation, resulting in signal increases of over 10,000-fold. These methods holds the potential to enable the metabolic profiling of single cells as well access to metabolic imaging for early treatment assessment in standard clinical MRI scanners.

Mini curso: 

Quantum Imaging 

This course will begin with an introduction to the foundational concepts of Fourier optics, providing the necessary framework to explore the limitations of classical optical instruments in imaging [1]. Building on these principles, we will then extend these concepts to advanced imaging techniques that utilize quantum states of light [2]. Special emphasis will be placed on supersensitive and superresolving quantum imaging methods [3]. The course will also cover the principles behind single-pixel, single-photon cameras, offering insight into their operation [2]. Finally, we will examine the current challenges in quantum imaging and explore potential solutions, focusing on how quantum multiphoton systems can be extracted from classical light sources to overcome these limitations [4, 5].

References
[1] J. Goodman, “Introduction to Fourier Optics,” Roberts and Company Publishers, (2004).
[2] O. S. Magana-Loaiza and R. W. Boyd, “Quantum Imaging and Information”, Reports on Progress in Physics 82 (12), 124401 (2019).
[3] Y. Shih, “An Introduction to Quantum Optics: Photon and Biphoton Physics”, CRC Press (2020).
[4] N. Bhusal et al., “Smart Quantum Statistical Imaging Beyond the Abbe-Rayleigh Criterion”, npj Quantum Information 8 (83), 1-8 (2022).
[5] F. Mostafavi et al., “Multiphoton Quantum Imaging using Natural Light”, Applied Physics Reviews 12, 011424 (2025).

Mini Curso:

¿Para que sirve la metrología cuántica?

Para estimar un parámetro —como la velocidad de un objeto o la frecuencia de transición entre dos niveles de energía de un átomo— se utiliza una función que toma como entrada los resultados de un experimento y produce como salida una estimación del parámetro de interés. A esta función se le llama estimador. Pero, ¿cómo saber si el estimador o la medición son óptimas? En este curso discutiremos algunos conceptos fundamentales de metrología, tanto en el contexto clásico como en el cuántico, para luego concentrarnos en el problema de estimación de fase. Este tipo de estimación es clave en numerosas aplicaciones tecnológicas, como magnetómetros, gravímetros y relojes atómicos.

Plan:

Clase 1: Algunas ideas de metrología clásica

Clase 2: Algunas ideas de Metrología cuántica

Clase 3: Estimación de fase

Facultad de Ciencias, UNAM

Enredamiento cuántico de pares de fotones y el experimento pensado de acción retardada de Wheeler

El experimento de acción retardada de Wheeler juega con la dualidad onda partícula de los estados cuánticos. Al introducir fotones individuales a un Interferometro de Mach-Zehnder, según J. Wheeler los fotones sabrían cómo comportarse como onda o partícula con una pequeña modificación en el interferómetro. En esta charla mostramos que los fotones siempre se comportan como onda si utilizamos estados enredados de fotones. Esta charla es una buena oportunidad para hablar de ese famoso “gedanken experiment” y de observar a los fotones  enredados como estados de ondas acopladas.

Simulación de transmones acoplados mediante un algoritmo cuántico 

Los qubits basados en transmones constituyen una de las arquitecturas más utilizadas en la implementación de computadoras cuánticas. Con un solo transmon únicamente es posible implementar compuertas unitarias de un solo qubit que abarcan el grupo SU(2). Para lograr compuertas unitarias más generales, el teorema de universalidad exige, además, contar con compuertas tipo NOT controladas (CNOT), que involucran al menos dos qubits. Esto implica que es necesario acoplar como mínimo dos transmones.

Los transmones pueden modelarse mediante el Hamiltoniano de un circuito cuántico que contiene una o más uniones Josephson y un condensador. Este Hamiltoniano es similar al de un oscilador armónico forzado con un término anarmónico. Dicho término puede sintonizarse de manera independiente si el circuito incluye dos uniones Josephson sometidas a un campo magnético. El acoplamiento entre dos transmones puede tener diversas naturalezas; en este trabajo nos restringiremos al acoplamiento capacitivo.

El problema central que abordamos es la simulación de un sistema grande de transmones mediante un algoritmo cuántico. Esta cuestión es altamente relevante, ya que una de las tendencias actuales en la mitigación de errores en computadoras cuánticas consiste en el uso de qubits lógicos, compuestos de múltiples qubits físicos basados en transmones (Google Quantum AI and Collaborators. Quantum error correction below the surface code threshold. Nature 638, 920–926 (2025)). En estos sistemas, el número de niveles cuánticos a considerar crece exponencialmente con el número de transmones y qubits. Por esta razón, en una computadora clásica, la memoria necesaria para simular un conjunto de transmones también crece exponencialmente, lo que vuelve inviable incluso la simulación de unos pocos qubits. En contraste, una simulación cuántica requiere un número de qubits que crece solo polinomialmente con el número de niveles, permitiendo así el estudio de sistemas compuestos por muchos qubits.

Para superar esta dificultad, proponemos un algoritmo cuántico que permite simular la dinámica de la matriz de densidad de dos o más qubits. Mostraremos que este algoritmo cuántico produce resultados equivalentes a los del algoritmo clásico.

El átomo de helio confinado en una cavidad esférica: Un punto de vista informacional.

Se estudia el átomo de helio confinado dentro de una cavidad esférica impenetrable de radio r0 mediante diversas medidas informacionales. Estas funcionales se aplican a funciones de onda de correlación creciente. Cada medida muestra una sensibilidad específica para rangos particulares de r0.

Erwin Schrödinger (1887-1961)