Hace apenas 120 años, nos dimos cuenta que las leyes que gobiernan la naturaleza incorporan aspectos sutiles y, en apariencia, contradictorios con las expectativas derivadas de la Física Clásica. Durante el pasado siglo, aprendimos a aplicar la Física Cuántica para describir a la luz, a los átomos, las moléculas y materiales diversos. Esta comprensión permitió desarrollar las tecnologías que facilitan nuestro quehacer cotidiano: dispositivos electrónicos de diversa índole, luz láser para controlar estos, etcétera. En los albores del siglo XXI, se ha estrechado la relación entre la Física Cuántica como una ciencia básica y la tecnología. Quizá el aspecto más llamativo está en reconocer, como un recurso accesible, al manejo eficiente de la información utilizando las características cuánticas de los procesos físicos elementales.
La Física en general busca dar una descripción coherente de los diversos fenómenos que se observan. Se sintetizan en pocos, concisos y claros enunciados las leyes que, utilizando el lenguaje de las matemáticas, permiten esa descripción. Hasta finales del siglo XIX se pensaba que las Leyes de Newton y las Leyes de Maxwell serían suficientes para caracterizar la evolución mecánica y electromagnética de sistemas materiales e inmateriales. Había inquietudes acerca de la aplicación de estas cuando se considera una multitud de componentes: el concepto de átomo se estaba asentando y se reconocía que un objeto macroscópico cualquiera estaría formado por muchísimos átomos. La estadística era requerida y su conexión con la termodinámica se estaba gestando. Al realizar experimentos y observaciones en esta dirección se reconoció, a inicios del siglo XX, que todo lo que nos rodea posee propiedades corpusculares y ondulatorias, y que su descripción detallada aun cuando se trate de los objetos más elementales requiere una interpretación estadística no trivial: estas propiedades definen a la Física Cuántica.
Las mentes más brillantes del siglo XX establecieron el lenguaje matemático adecuado a la Física Cuántica. La comunidad científica de áreas como la Física, la Química y las Ciencias de la Computación se avocaron a descifrar las consecuencias de estas leyes para entender el comportamiento de los materiales en todos sus aspectos incluidos su respuesta al interactuar y producir luz. Las consecuencias tecnológicas no se hicieron esperar. Una vez se entendió a profundidad la física básica detrás de estos sistemas el ingenio humano permitió crear dispositivos que cambiaron nuestra vida diaria. Dos ejemplos clave son los láseres y los diversos dispositivos electrónicos basados en los semiconductores.
¿Son estas tecnologías cuánticas? Sí sin duda lo son. Sin embargo se habla hoy de tecnologías cuánticas como algo novedoso, ¿por qué? El motivo fundamental es que esta terminología se refiere a utilizar en forma controlada los aspectos más sutiles de la Física Cuántica para generar novedosos esquemas para manejar la información. Es decir, diseñar dispositivos con una función específica utilizando como herramienta fundamental la lógica derivada de los fenómenos plenamente cuánticos.
Pongamos un ejemplo: la física cuántica admite la posibilidad de que el estado de un sistema sea descrito como la superposición de dos o más estados plenamente distinguibles por poseer alguna propiedad física concreta. Al realizar una medición de esta propiedad el estado del sistema ya no es la superposición antes mencionada sino que ahora es caracterizado por un valor específico de la propiedad medida. Esta, en apariencia simple, aseveración da pauta a correlaciones entre las componentes de un sistema sin análogo clásico.
El almacenamiento, transformación, transmisión y lectura de la información basada en el control de las correlaciones cuánticas se conoce como información cuántica. Sus áreas de implementación más conocidas son la criptografía, cómputo, metrología (mediciones de alta precisión e imageneología) y simulación cuántica. Se han ya creado dispositivos con una eficiencia fundamental y operacionalmente superior a la de sus análogos clásicos.
El desarrollo de tecnologías cuánticas no está exento de problemáticas. Dos de sus retos se pueden plantear en la necesidad de trabajar con sistemas cuasi aislados pues las correlaciones cuánticas son frágiles, y en el reconocimiento de que un estado cuántico posee mucha información que no es directamente accesible. La estrategia usual para resolver este último reto es llevar a este estado a uno más simple con una propiedad global que acarre la información. Actualmente las plataformas para construir estas nuevas tecnologías incluyen centros de color en semiconductores, fotones libres y en cavidades, nanoestructuras, iones atrapados y circuitos cuánticos superconductores. Sus aplicaciones en ciencia básica son diversas: materia suave, química, fenómenos de transporte, partículas elementales, astrofísica, cosmología, biología cuántica.
El Laboratorio Nacional de Materia Cuántica: Materia Ultrafría e Información Cuántica (LanMac) está conformado por un grupo amplio de investigadores, técnicos y estudiantes que han creado un espacio atractivo que fomenta la colaboración teoría-experimento a nivel nacional en el área. Con el apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, la UNAM, universidades estatales, centros e institutos de investigación a lo largo del país, se han construido y consolidado laboratorios donde se desarrolla investigación de vanguardia sobre aspectos básicos y aplicados asociados a sistemas cuánticos ópticos y materiales.
Nuestros esfuerzos están enfocados en la formación de recursos materiales y humanos que nos permitan participar en la revolución tecnológica del siglo XXI: la nueva tecnología cuántica.
