El mundo cuántico y los premio Nobel de Física 2012

Los físicos Serge haroche y David Wineland, imagen tomada de

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reciben-nobel-de-fisica-por-atrapar-la-luz/

La Academia de las Ciencias de Estocolmo galardonó con el premio Nobel de Física 2012 al francés Serge Haroche y al estadounidense David Wineland por su invaluable aportación en el campo de la óptica cuántica experimental, específicamente la interacción fundamental entre luz y materia.

Inventaron y desarrollaron, por separado, métodos revolucionarios para medir y manipular partículas individuales preservando su naturaleza cuántica de un modo que antes se pensaba inalcanzable. Así se abre una nueva era de experimentación en la física cuántica, que ya se ha adjudicado una cantidad increíble de éxitos, lo que la convierte en la teoría más exitosa de la historia de la humanidad.

A diferencia de la física clásica —que estudia el mundo mesoscópico o macroscópico, las propiedades de un material y que satisface una serie de leyes— la física cuántica estudia a los átomos, dentro de los átomos y más adentro de los núcleos de éstos, la escala microscópica.

La mecánica cuántica es un conjunto de leyes que se descubrieron entre 1900 y 1930 —continúan descubriéndose— y rigen el micromundo; predice cierto comportamiento para las partículas, los átomos, iones, electrones, protones, que tienen un comportamiento sumamente extraño en comparación con lo que conocemos o estamos acostumbrados, y estas predicciones teóricas es necesario comprobarlas.

A lo largo del siglo XX, estas predicciones se comprobaron de manera indirecta a través de experimentos pensados ya que el avance tecnológico era modesto y no era posible observarlos, resultaba muy complicado aislar a las partículas de su medio, pues en cuanto entran en contacto con el mundo exterior pierden sus propiedades cuánticas. Durante la década de los noventa del siglo pasado, los avances teóricos y tecnológicos permitieron que Wineland y Haroche desarrollaran, de manera independiente, métodos y técnicas experimentales, logrando con ello medir y controlar partículas individuales de materia y luz, y observar su comportamiento cuántico.

Los métodos utilizados por Wineland y Haroche tienen cosas en común, veamos en qué consisten sus experimentos:

David Wineland controla partículas materiales, iones1 —átomos cargados— en una trampa. En una caja, con campos eléctricos y magnéticos, meten iones y con un láser los enfrían de modo que los iones se mantienen en su estado de mínima energía. De esta manera es posible controlar y medir estas partículas, y observar cómo interactúa la luz con la materia.

Serge Haroche hace exactamente lo opuesto. Encierra partículas de luz —fotones— en espejos electromagnéticos que reflejan los fotones y les lanza átomos que entran y salen; y así es posible deducir las propiedades de los fotones.

Estos experimentos han permitido observar el comportamiento cuántico de átomos y fotones, comprobar la teoría cuántica y comprobar que ese comportamiento cuántico, extrañísimo, existe. Técnica, experimental y físicamente tiene una gran trascendencia lo que ambos equipos de investigadores han logrado después de casi 75 años de los fundamentos teóricos de la mecánica cuántica.

Actualmente todas las tecnologías de comunicación se hacen con base en la interacción de la luz con la materia, entonces todo lo relacionado con comunicaciones ópticas resulta trascendente.

Computadoras cuánticas

Supongamos que tenemos partículas clásicas en una caja y que tienen dos propiedades: sabor y color. Cada propiedad tiene dos posibilidades: dulce y amarga, azul y roja. Conociendo esto, cualquier persona puede tomar una de estas partículas y no tener problema alguno porque sabe que tiene algún color y sabor, cuando la prueba se da cuenta de que es, por ejemplo, amarga y roja.

En el mundo cuántico las propiedades de las partículas no existen si no se han visto, la corriente actual física y filosófica expone que no es posible hablar de las propiedades de estas partículas si no han sido observadas.

Si ahora pensamos en partículas cuánticas la propiedad de sabor es una especie de mezcla de dulce y amargo, pero no tiene ninguna de las dos y tampoco tiene un color; no está definido; es el acto de la observación y de interactuar con las partículas lo que le da las propiedades, antes de eso las partículas no tienen propiedad.

Hay partículas que si se miden es posible encontrar que tengan espín hacia arriba y espín hacia abajo. En una partícula cuántica antes de que sea medida la partícula no tiene ni espín arriba ni espín abajo, tiene una mezcla de las dos, a eso se le llama superposición, esto fue ejemplificado en lo que se conoce como la paradoja del Gato de Schrödinger, una superposición de estados.

En una computadora clásica, como las que utilizamos a diario, la información se almacena en bits, éstos pueden tener un valor de cero y uno y sólo pueden tener esos dos valores. En una computadora cuántica la información será almacenada en qbits, éstos nunca estarán en cero y uno, están en una mezcla de ambos, puede tener simultáneamente valores 00, 01, 10 y 11, en una superposición; esto haría que las computadoras fuesen mucho más rápidas y potentes al realizar cierto tipo de operaciones.

Los relojes actuales podrían ser sustituidos por relojes ópticos atómicos. En lugar de contar oscilaciones de un átomo de cesio, contarán oscilaciones de iones de aluminio que son 10 veces más rápidas y, con ello tendremos relojes 100 veces más precisos que los que actualmente utilizamos. Si un reloj óptico atómico hubiese sido lanzado al momento del Big Bang, hace 13 mil 700 millones de años, hoy la desviación de ese reloj sería únicamente de cinco segundos.

Con información de los doctores en física Luis Manuel Arévalo Aguilar, de la Universidad Autónoma de Puebla,

y Francisco Soto Eguibar, del Instituto Nacional de Astronomía, Óptica y Electrónica.

Nota

1 Un átomo tiene igual número de protones (+) y electrones () y se encuentra en un estado de equilibrio, su carga es neutra; cuando se desprende de un electrón, que es más sencillo de extraer, queda con carga positiva y por tanto es un átomo cargado.

*deniselucero@gmail.com