Pequeño dossier sobre el Premio Nobel de Física

PARTE I

El trabajo de Haroche y Wineland

El pasado 9 de Octubre, la Academia Real de Ciencias de Suecia otorgó a los profesores Serge Haroche y David J. Wineland, el ultra prestigioso Premio Nobel de Física por sus aportes en métodos experimentales para la medición y manipulación de sistemas cuánticos individuales (qué será todo eso?). En este caso, estos sistemas son ínfimas partículas que conforman el universo, como por ejemplo los tan conocidos átomos (que forman la materia) y los fotones (que son las partículas de luz, microondas y rayos X entre otras).

Ambos científicos abrieron una nueva era en el mundo de la experimentación cuántica, ya que sus investigaciones consisten en desarrollar métodos ingeniosos para poder medir y manipular partículas cuánticas individualmente. Antes esto era impensado, ya que los experimentos eran realizados sobre conjuntos de miles, millones, o millones de millones de partículas.

Para dar una idea de lo ínfimas que son estas partículas, vamos a compararlo con objetos de la vida cotidiana. El tamaño de los átomos que usa Haroche son, por ejemplo, 10.000.000 de veces más pequeños que Aníbal Pachano (que medirá poco más de metro y medio). Una de estas partículas es, a una persona, lo que un vagón de tren es al planeta tierra.

           

Serge Haroche y David Wineland. Físicos ganadores del Premio Nobel 2012, realizando experimentos de interacción entre luz y materia en sus respectivos laboratorios. Fuente: Nobel Prize

¿Qué propiedades especiales tienen estas partículas?

Una partícula clásica, que puede ser una pelota de fútbol, un grano de azúcar o la nariz de Horacio Pagani, tiene propiedades físicas bien definidas (masa, posición, velocidad, volumen, etc.) y uno puede medir esas propiedades tranquilamente sin modificarlas. Por ejemplo, la pelota de fútbol puede estar en la cancha de All Boys o en la de Atlas (la otra pasión) y podemos determinar fácilmente en donde se encuentra. Parece una obviedad, pero sigamos…

En cambio, en el mundo microscópico, la materia tiene comportamientos un tanto inesperados y bizarros, ya que el estado de las partículas no está bien definido. Para ser gráfico, una partícula cuántica podría estar en la cancha de All Boys, o de Atlas y además, puede estar en una superposición de ambas, es decir estar en ambas al mismo tiempo. ¿¡Cómo!? ¿Una partícula puede tener dos posiciones, o tres velocidades? Sí, algo así, es algo así como tener dos, tres, cuatro o más novias. Esta superposición da lugar a una incertidumbre que es inherente a la naturaleza, eso sí, al medir, el resultado será uno y sólo uno, pero esto modificará el estado de la partícula. Una partícula cuántica NO puede interactuar con su entorno sin modificar su estado

Los experimentos de Haroche, llevados a cabos en su laboratorio en París, consisten en atrapar luz (fotones) entre dos espejos a muy baja temperatura, como si tuvieran una pelota rebotando entre dos paredes por mucho tiempo. Luego, arrojan átomos que entran, interactúan con la luz y salen. Midiendo el cambio de estado del átomo al interactuar con la luz, se puede conocer el estado de la luz sin destruírla.

Fotones atrapados entre dos espejos. Representación del sistema de dos espejos utilizado en el experimento de Haroche para atrapar fotones, que están representados con ondas de colores.  Fuente: Scientific American

A su vez. El trabajo de Winegrad, llevado a cabo en un laboratorio en Boulder, Colorado, consistió en atrapar iones (en este caso, un átomo de Berilio cargado positivamente) utilizando campos eléctricos. El ion queda preso en una “cárcel” cuyas “rejas” están formadas por campos eléctricos. Luego, utilizando los bien conocidos láseres, se les quita a los iones toda la energía que poseen, dejándolos en ruinas, es decir, sin energía, con muy baja temperatura y como si esto fuera poco, preso. Winegrad, encontró la manera de poder manipular estos iones y de estudiar sus propiedades, enviando luz de visita a la “cárcel” donde se encuentra el ion para que le de una cantidad de energía justa y necesaria para configurar el estado del ion como se desee, por ejemplo en estado de superposición. Es decir, en el lenguaje de analogías bizarras que venimos utilizando, los experimentos de Wineland permiten manipular  al ion para que sea hincha de River o de Belgrano de Córdoba, o hincha de River y de Belgrano al mismo tiempo.

PARTE II

Posibles aplicaciones: Computación cuántica y relojes de alta precisión

Una de las posibles aplicaciones de estos avances, es acercarse más a la posibilidad de una computadora cuántica, que, en el caso de existir, tendría una capacidad de procesamiento y una velocidad extremadamente superior a las de la actualidad. El mayor desafío que se debe superar para poder construirlas es un poco contradictorio… se desean realizar operaciones con partículas cuánticas sin que estas interactúen con el entorno, pero que luego sí puedan interactuar con el exterior para informar el resultado de las operaciones. En la actualidad, la unidad básica de información es el bit, y puede encontrarse en dos estados, que podemos llamar encendido y apagado, alto y bajo, o lo que se suele utilizar comúnmente,  0 y 1. En cambio, para las computadoras cuánticas, esta unidad es el qubit (bit cuántico), que puede encontrarse en los estados 0 y 1, o… ¡en una superposición de ambos! Esto no significa que el qubit sea un panqueque y que le gusten los redondos o soda stereo según convenga, si no que, como venimos haciendo énfasis, le gustan ambas bandas, quizás una más que otra, pero ambas al mismo tiempo. El grupo de Wineland, fue el primero en demostrar una operación utilizando dos qubits, lo que significó un gran acercamiento a la computadora cuántica, que en caso de existir, cambiaría al mundo en forma radical.

Otra de las aplicaciones es la de utilizar los iones como relojes de alta precisión, que en experimentos ya realizados mostraron ser hasta cien veces más precisos que el reloj de gas Cesio (Cs), que es el utilizado en la actualidad para definir la unidad de tiempo, el segundo. Esta precisión, es tal que si se hubiese comenzado a medir el tiempo en el comienzo del universo (Big Bang), hace 14 mil millones de años, al día de hoy reloj se habría atrasado tan solo 5 segundos.

En conclusión, estos avances son de gran importancia de cara al futuro, no sólo en aplicaciones tecnológicas inmediatas y a largo plazo, que seguramente serán muchas y muy buenas… la manipulación y el entendimiento de las partículas cuánticas puede ser una de las mayores revoluciones en la historia del ser humano y responde desde cuestiones teóricas y abstractas, hasta cuestiones filosóficas, además. Presenta propiedades más inimaginables y anti-intuitivas que en los cuentos de hadas, y quizás, se logre construir algún día un robot que juegue mejor que Messi, pero para esto faltan muchísimos años y probablemente el fútbol no sea el que hoy conocemos en ese entonces. 

                        Andrés Armúa