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Nobel

Apuestas cuánticas

Los ganadores del premio Nobel en 2012 se refieren a los retos inherentes al desarrollo de un nuevo concepto de ordenador y a la creación un GPS para pronosticar terremotos

Serge Haroche: "No me gusta la idea de presentarme como un ingeniero que construirá la computadora cuántica"

Eduardo CesarSerge Haroche: “No me gusta la idea de presentarme como un ingeniero que construirá la computadora cuántica”Eduardo Cesar

La mecánica cuántica es una rama de la física que le provoca extrañeza a la mayoría de la gente. Superposición de estados, enmarañamiento de partículas, decoherencia de sistemas: tales conceptos generalmente se les escapan de la comprensión a quienes, como todos en la Tierra, viven en el mundo de la física clásica. De todos modos, el hombre convive hoy en día con inventos que operan basados en efectos cuánticos, tales como el láser y los aparatos de resonancia magnética. El premio Nobel de Física del año pasado se lo llevaron, conjuntamente, dos científicos que trabajan en forma independiente y con abordajes distintos, en un área de frontera de ese campo. Debido a sus “métodos experimentales innovadores, que permiten medir y manipular sistemas cuánticos individuales”, el estadounidense David Wineland, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (Nist) y de la Universidad de Colorado en Boulder, y el francés Serge Haroche, de la École Normale Supérieure y del Collège de France, compartieron ese lauro en 2012.

David Wineland: "Siempre que alguien desarrolla un reloj más preciso, aparece un nuevo uso, generalmente en la navegación"

Eduardo CesarDavid Wineland: “Siempre que alguien desarrolla un reloj más preciso, aparece un nuevo uso, generalmente en la navegación”Eduardo Cesar

Junto a otros tres premios Nobel, Wineland y Haroche estuvieron presentes entre finales de febrero y comienzos de marzo de este año en un simposio organizado por el Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo, en donde concedieron sendas entrevistas exclusivas a Pesquisa FAPESP (lea el reportaje sobre el simposio en la edición nº 205). Ambos frecuentan Brasil desde hace al menos dos décadas, y Haroche, quien suele pasar sus vacaciones en una playa de Bahía, visitó nuevamente el país luego del evento realizado en el interior paulista. Hablaron de sus investigaciones, que tienen una cierta complementariedad, y de los posibles caminos a los que sus estudios pueden conducir. Wineland conjetura que relojes atómicos más precisos quizá puedan ser útiles para pronosticar terremotos, por ejemplo. ¿Y el tan soñado ordenador cuántico? “No me agrada la idea de presentarme como un ingeniero que construirá la computadora cuántica. Nadie sabe qué ruta seguir para arribar a ello. Estamos haciendo progresos, pero dando pequeños pasos”, afirma Haroche. Las entrevistas fueron realizadas por separado. Pero, como los temas abordados a veces se rozan y se repiten, se editaron conjuntamente los dichos de ambos.

¿Fue una sorpresa el ganar el Nobel el año pasado?

WINELAND – Pienso que la mayoría de los que ganan el Nobel de una manera u otra habían oído antes decir que podían ganar el premio. Escuché que mencionaron mi nombre un par de veces. En ese sentido, el premio no fue algo totalmente inesperado. Pero durante los últimos años no estaba pensando en el tema. Algunas personas se despiertan para escuchar las noticias y saber quiénes son los ganadores del Nobel. Pero yo estaba durmiendo cuando hicieron el anuncio. Mi mujer me despertó. Cuando se gana un Nobel, está implícito que uno se convierte en una especie de portavoz de su campo de investigación. Eso fue lo que pasó conmigo y con Serge. Uno pasa a ser una inspiración para los estudiantes, que hoy en día cuentan con tantas distracciones, para que sigan la carrera científica. Una forma sencilla de hacer eso es contar mi historia. Cuando era joven, en la secundaria, me interesaban más los coches y las motos, no la ciencia. Ciertamente no fui uno de los mejores alumnos. Pero he de decir que siempre me gustaron la matemática y la física cuando estaba en la escuela.

HAROCHE – Este tipo de premio no es algo que uno espere. Por supuesto que yo sabía que estaba haciendo un trabajo que suscitaba la atención de la comunidad. Pero nuestra área es vasta, hay muchos temas y subáreas que están produciendo resultados interesantes. Por eso era imposible vaticinar quiénes lo ganarían. Uno también debe entender –y David coincide conmigo en este punto– que el premio es para el área como un todo. No es para mí y para él. La investigación es un trabajo en grupo. En mis estudios, conté con el trabajo de dos investigadores sénior. Estoy seguro de que fue lo mismo para David. Pero, debido a la naturaleza del Nobel, ellos necesitan asociar el premio con algunas personas.

¿Sus equipos eran rivales?

WINELAND – Los abordajes eran lo suficientemente distintos como para que no nos sintiéramos compitiendo en una misma área. Rainer Blatt [físico de la Universidad de Insbruck], quien también estuvo en el seminario de São Carlos, cuenta con un grupo muy fuerte y es uno de mis mayores competidores. Pese a que lo somos, también somos buenos amigos desde hace muchos años. Mis trabajos y los de Serge son un tanto complementarios. Para explicarlo en forma sencilla, yo diría que uso la luz para controlar algunas propiedades de los átomos, y Serge usa átomos para investigar y controlar propiedades de la luz. Aunque se describa que un trabajo es lo opuesto del otro, nos valemos de la misma física cuántica para describir interacciones entre los átomos y la luz.

HAROCHE – Existe una hermosa simetría entre nuestras investigaciones. A decir verdad, ambos trabajamos con las interacciones de la luz y de los átomos en el nivel cuántico más fundamental. Yo veo las cosas desde una perspectiva y él desde otra. Quizá esa simetría sea lo que llevó al comité del Nobel a pensar que sería algo bueno premiarnos a ambos.

¿El enmarañamiento es la impronta que indica que existe algo cuántico en un sistema?

WINELAND – Antes del enmarañamiento está la idea de la superposición de estados. Uno de los experimentos que hicimos en nuestro laboratorio consistió en mostrar que una partícula, un ión o un átomo, puede estar en dos lugares al mismo tiempo antes de que haya enmarañamiento. La superposición es la marca registrada de que ingresamos en el extraño mundo de la mecánica cuántica. Para mí y también para otra gente, una cuestión fundamental aún no respondida consiste en saber dónde termina el mundo clásico y dónde empieza el cuántico. De haber una línea divisoria, debemos saber dónde está. Eso trae a la luz conceptos tales como el de la existencia de varios mundos o universos [paralelos]. En este momento, considero que la tesis de los diversos mundos es perturbadora, pero es tan válida como cualquier otra idea acerca de lo que realmente pueda estar sucediendo. Hasta donde yo sé, es una solución válida para el problema. Como físico experimental, siento que existe algo por descubrir en ese sentido. Pero no contamos con un experimento que pueda hacerse para responder a esta cuestión. Tal vez exista algún mecanismo, alguna nueva física, que todavía no vislumbramos, que genera esa barrera (entre lo cuántico y lo clásico). Este campo es muy especulativo. No creo que alguien tenga la respuesta a esta cuestión. Pero siento que hay algo muy profundo por descubrir.

HAROCHE – La noción central [de la física cuántica] es la superposición, el hecho de que un sistema pueda estar al mismo tiempo en diferentes estados. El enmarañamiento es una consecuencia de ello. Dos sistemas están enmarañados cuando interactúan y pueden mantenerse en una superposición de estados. Esto quiere decir que lo que sucede con un sistema inmediatamente produce un efecto sobre el otro, aun cuando los mismos estén separados por una gran distancia. A eso se le llama no-localidad. Es una propiedad muy bien establecida de la materia y de la radiación. De manera superficial, puede pensarse que esta propiedad viola la noción de causalidad, pues no es posible propagar información a una velocidad mayor que la de la luz. De todos modos, existen algunos tipos de correlación que son instantáneos. Pero esas correlaciones no pueden usarse para propagar información. Por consiguiente, no hay ninguna contradicción. Hay muchos grupos trabajando en esta cuestión, sobre todo con fotones propagándose en el espacio abierto y en fibra óptica. Uno de los pioneros en ese campo es mi colega Alain Aspect [del Instituto de Óptica y de la Escuela Politécnica de París, quien también estuvo presente en el simposio], que realizó un experimento en 1982 demostrando por primera vez este tipo de enmarañamiento.

¿Qué podemos esperar en términos de nuevas aplicaciones derivadas de la física cuántica?

WINELAND – La mayoría de los físicos cree que las aplicaciones en el área de computación cuántica deberán operar con simulaciones. Por ejemplo: una cosa que estimuló mucho a la computación (cuántica) fueron los algoritmos de factorización. Pero efectuar una factorización útil constituye un desafío sumamente difícil, pues se utilizan muchos recursos que aún no dominamos. Con una cantidad pequeña de qubits [bits cuánticos] se pueden hacer cosas interesantes. Tal vez con 50 ó 100 qubits sea posible simular un sistema. Para mí, esta cuestión será interesante cuando logremos aprender algo nuevo con esa simulación. Por ahora, en la física cuántica se están haciendo demostraciones de simulaciones que ya hemos logrado hacer con una computadora normal. Es difícil pronosticarlo, pero a lo mejor en los próximos 10 años logramos hacer una simulación que realmente nos enseñe algo nuevo.

HAROCHE – Hay cosas que son una realidad, como lo es la criptografía cuántica. Pero la cuestión que se plantea es si ésta es útil y competitiva en relación con la criptografía clásica. Está también la metrología, en la cual se hace uso de la física cuántica para perfeccionar la precisión de las mediciones. Un buen ejemplo de ello es el trabajo de David con relojes atómicos. Él emplea el enmarañamiento para medir lo que sucede en un ión, que sería el reloj atómico más preciso hasta ahora construido. La computadora cuántica podría trabajar en un estado de superposición, de manera tal que algunos cálculos podrían hacerse en forma más rápida y eficiente que en una computadora clásica. Eso es un sueño. Los conceptos necesarios a tal fin están establecidos, pero funcionan en sistemas pequeños. Para contar con una computadora cuántica, debemos controlar centenares de partículas. Existen problemas técnicos y prácticos y no sabemos si se resolverán. No me gusta la idea de presentarme como un ingeniero que construirá la computadora cuántica. Nadie sabe qué ruta debemos tomar para alcanzar ese objetivo. Estamos haciendo pequeños progresos. Por ejemplo: estamos aprendiendo a corregir pequeños errores que se producen en los sistemas cuánticos, a los cuales los denominamos decoherencia. La superposición cuántica es un estado sumamente frágil, que desaparece fácilmente. En París, hacemos experimentos a los que denominamos corrección de feedback, en los cuales logramos mantener una cierta cantidad de fotones durante un tiempo promedio muy largo. Logramos corregir las perturbaciones tan pronto cómo se producen. Esto es bueno para algunas cosas, pero no lo suficiente como para la computación cuántica. Es sumamente difícil prever qué sucederá. Si observamos la historia, todas las tecnologías derivadas de la física cuántica, tales como el láser y las imágenes de resonancia magnética nuclear con fines médicos, salieron de la investigación básica no concebida con tal finalidad. Estoy casi seguro de que las aplicaciones aparecerán. Pero no se puede adivinar qué sucederá.

¿Los progresos son mucho más palpables en el área de los relojes atómicos?

WINELAND – Ése es un campo mucho más desarrollado. Elaboramos relojes atómicos que sirven con un propósito, tanto con átomos como con iones. Un buen ejemplo de ello son los sistemas de navegación basados en GPS. Desde hace décadas se fabrican los relojes atómicos para esos sistemas. Y es así desde hace siglos: siempre que alguien desarrolla un reloj más preciso, un nuevo uso aparece, generalmente en el área de navegación. Fue y sigue siendo así. Existen algunas aplicaciones en comunicación que también emplean relojes atómicos. Por ejemplo: de contar con un reloj atómico para un sistema del tipo del GPS con precisión de milímetros, podríamos medir la deformación de la Tierra. Potencialmente, un sistema así podría pronosticar terremotos. Pero, por supuesto, serán necesarias también otras herramientas; pero un reloj con esa precisión podría ser útil en ese sentido.

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