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Soñar con computadores cuánticos

​​​​Dos premios Nobel de Física, Serge Haroche y David J. Wineland, estuvieron en Medellín en 2015. El honor se debió a la celebración del Año Internacional de la Luz.

Foto por: Róbinson Henao​​​Gracias a los métodos para medir y manipular partículas cuánticas individuales, de formas que antes se consideraban inalcanzables, “es claro que algo pasará, tal vez será comunicación cuántica, de pronto una mejor forma de medir cosas o un sistema de GPS que pueda medir con mayor precisión de lo que podemos hacerlo ahora, otra posibilidad sería relojes atómicos”, explica el nobel Serge Haroche.​

Beatriz Elena García Nova
Colaboradora

Al hablar de avances científicos, el interés de los gobiernos y, en general, de la sociedad se centra comúnmente en el desarrollo de aplicaciones, de deslumbrantes innovaciones o aparatos vistosos. Sin embargo, para llevar a la realidad esos grandes inventos se requiere de muchos años de trabajo riguroso en ciencia básica.

De ahí que de esta última hayan surgido en el siglo XX, por ejemplo, tecnologías como el transistor, el láser, el sistema GPS y la resonancia magnética. Avances obtenidos gracias a investigadores más orientados a la ingeniería, quienes han logrado combinar los adelantos teóricos de la ciencia básica para obtener aplicaciones como estas.

Así lo destaca Serge Haroche, quien ganó el premio Nobel de Física en 2012 junto a David Wineland, gracias a los métodos que cada uno inventó para medir y manipular partículas cuánticas individuales de formas que antes se consideraban inalcanzables (ver el infográfico ‘La física cuántica, en breve’ y el recuadro ‘Las razones del Nobel’).

Y qué mejor para ilustrar la importancia de la ciencia básica que observar los trabajos de los dos nobel sobre la interacción entre la luz y la materia, quienes –en palabras del jurado de la Real Academia de las Ciencias de Suecia– “han abierto la puerta a una nueva era de la experimentación con la física cuántica al demostrar la observación directa de las distintas partículas cuánticas sin destruirlas”.

Algunas hipótesis

A pesar de que nadie podría predecir la aplicación que tendrán estos avances investigativos, el estadounidense Wineland habla de computadores cuánticos. Aunque no es un experto en ciencias de la computación, cuenta que ha aprendido bastante acerca de los problemas que interesan a los científicos de esta área y reconoce la necesidad de la integración interdisciplinaria.

En este sentido, señala Wineland, los científicos de la computación alrededor de 1995 mostraron que si se logra crear el computador cuántico se tendría un modo eficiente de hacer factorización con grandes números, problemas que no podrían resolverse con un computador clásico. No en vano, construir una máquina de factorización causó mucho interés de financiación en este campo, en el que muchos académicos trabajan en la actualidad.

“Estamos tratando de usar nuestros sistemas atómicos para simular sistemas de interés, porque si tratamos de hacer las simulaciones de mecánica cuántica de sistemas que suponen muchas partículas como electrones, a los computadores se les acabaría la carga. Sin embargo, si podemos hacer así sea un computador cuántico relativamente pequeño, podríamos resolver este tipo de problemas”, explica el físico estadounidense.

Por su parte, expresa el físico francés Haroche: “es claro que algo pasará, tal vez será comunicación cuántica, de pronto una mejor forma de medir cosas o un sistema de GPS que pueda medir con mayor precisión de lo que podemos hacerlo ahora, otra posibilidad sería relojes atómicos”. Sin embargo, agrega, cuando se obtengan esas aplicaciones llegarán otras nuevas; por ejemplo, luego se harán mejores relojes cuánticos.


La física cuántica estudia y explica lo que ocurre con los átomos, sus núcleos y partículas elementales.



Aunque todavía falta tiempo para la creación de un computador cuántico –ellos no se atreven a decir cuánto–, por el momento “es posible implementar las ideas básicas necesarias para estos, pero hasta ahora los errores son muy grandes. Es difícil solucionar los problemas técnicos existentes”, explica Wineland.

Por eso estos físicos que se conocen desde los años 80, cada uno con su método para examinar, controlar y contar partículas individuales preservando su naturaleza mecánico-cuántica, resaltan que por sí solos no habrían logrado avanzar, que sería imposible sin sus grupos de investigación.

Así que en la misma línea, y desde sus respectivos continentes, cada uno con su equipo continuará trabajando con partículas cuánticas cada vez de forma más precisa, teniendo en mente que “no porque algo es posible, sucede”, como dice Haroche. Pero, eso sí, con el impulso de haber logrado ya una vez lo que antes se creía teóricamente imposible.

La física cuántica, en breve

A diferencia de la física clásica, que aplica al mundo en gran escala, la cuántica aplica a todas las escalas. Precisamente esta última surgió al comenzar el siglo XX para responder a los problemas que no podían ser resueltos por medio de la física clásica. 
La física cuántica estudia y explica lo que ocurre con los átomos, sus núcleos y partículas elementales. Las partículas elementales son los componentes básicos de la materia, no están formados por partículas más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna. 
 *“En el mundo cuántico, los átomos y los fotones” [partícula elemental responsable del fenómeno electromagnético] “obedecen a reglas que van en contra” de la experiencia diaria de las personas. “Por ejemplo, a ese nivel se cumple el principio de superposición, según el cual una partícula puede estar al mismo tiempo en dos lugares” o hacer dos cosas al mismo tiempo. 
*Referencia: artículo ‘Una buena elección cuántica’ de Alejandra Valencia, profesora de Física en la Universidad de los Andes, publicado el 7 de noviembre de 2012 enhttp://www.uniandes.edu.co/noticias/ciencias/una-buena-eleccion-cuantica.​

Las razones del Nobel

Así lucen los “revolucionarios métodos experimentales que permiten la medición y la manipulación de sistemas cuánticos individuales”, por los que en 2012 la Real Academia de las Ciencias de Suecia otorgó a Haroche y a Wineland el Premio Nobel de Física.​​ La figura muestra Cómo en el laboratorio de Serche Haroche, en París, al vacío y a una temperatura de casi cero absoluto, los fotones de microondas rebotan de un lado a otro dentro de una pequeña cavidad entre dos espejos. Los espejos son tan reflexivos que se puede mantener un solo fotón por más de una décima de segundo antes de perderlo. Durante su larga vida, muchas manipulaciones cuánticas pueden llevarse a cabo con el fotón atrapado sin destruirlo.

La figura muestra cómo en el laboratorio de David Wineland, en Boulder, Colorado, átomos o iones eléctricamente cargados logran mantenerse dentro de una trampa rodeada de campos eléctricos. Uno de los secretos tras el descubrimiento de Wineland es el dominio del arte de usar rayos de luz y generar pulsos láser. Un láser es usado para poner el ion en su más bajo estado de energía y así permitir el estudio del fenómeno cuántico con el ion atrapado. 

Grandes teóricos, en físico

La visita a Medellín y a Bogotá de los dos premios Nobel de Física 2012, Serge Haroche y David Wineland, fue una de las actividades más destacadas del Año Internacional de la Luz durante 2015. 
Para Wineland, uno de los incentivos para venir al país fue el conversatorio en el que participaron el 18 de junio de 2015 en el Parque Explora, que involucró estudiantes. La otra motivación fue porque la destacada científica colombiana Ana María Rey, a quien conoce desde hace un tiempo, también lo influenció para venir. Y no se decepcionó, dado que pudo conocer grupos que trabajan en óptica cuántica y ver que “hacen cosas muy buenas, hay buenos estudiantes y son muy entusiastas”. 
Entre otras cosas, los invitados trajeron el claro mensaje sobre el papel fundamental que tiene el desarrollo de la ciencia básica en las sociedades, pues lamentablemente no en todos los países se le proporciona suficiente inversión. 
De hecho, “en Estados Unidos, tal vez no en la misma escala, siempre es un problema convencer al gobierno de financiar investigaciones que no necesariamente tengan aplicaciones obvias”, dice Wineland, quien insiste en que, aunque no siempre sea fácil, es necesario convencer a los gobiernos de la necesidad de invertir en estudios en este campo.​

Los nobel

Serge Haroche

Físico, PhD de la Universidad de París, profesor e investigador en The College de France. Su trabajo experimental: el control y medida de trampas de fotones. Es conocido por demostrar, en 1996, la decoherencia cuántica mediante la observación experimental, con colegas en la École Normale Supérieure.

David Wineland

Físico de la Universidad de California, Berkeley, PhD en Física de la Universidad de Harvard. Investigador del National Institute of Standards and Technology y profesor de la Universidad de Colorado. Su trabajo experimental es sobre control y medida de átomos cargados, o iones, a través de su interacción con fotones.

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Última modificación: 06/03/2017 14:03