Academia Mexicana de Ciencias
Boletín AMC/256/12
México, D.F., 25 de octubre de 2012

• El otorgamiento del Nobel de Física este año a David Wineland y Serge Haroche es un estímulo para la física cuántica: Rocío Jáuregui
• En el futuro será posible la construcción de relojes ópticos y computadoras cuánticas que puedan realizar cálculos más allá de la capacidad de las actuales

Las técnicas desarrolladas por los galardonados, permiten la medición y manipulación cuántica para estudiar las propiedades de un solo átomo o un solo fotón.
Infografía: Natalia Rentería Nieto DGDC/AMC
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Entre los constituyentes fundamentales de nuestro mundo, los átomos y fotones, se caracterizan por su enorme y continua interacción con el entorno. Pocas veces los científicos pueden estudiar estas partículas aisladas y en su estado más básico, que es a la vez una superposición de estados solo posible en la cuántica, es decir, pueden estar en muchos lugares al mismo tiempo o tener propiedades contrarias simultáneamente. Antes, solo con “experimentos mentales” se podía predecir este singular comportamiento, pero era “ridículo” pensar en atrapar y manipular partículas para observarlas de manera individual.

La superposición cuántica es tan sensible que en cualquier interacción con el ambiente sus propiedades desaparecen de inmediato. Desafiando este principio de la mecánica cuántica, los investigadores David J. Wineland y Serge Haroche desarrollaron técnicas para observar sistemas a nivel cuántico y estudiar sus propiedades sin afectarlas, razón por la que ambos obtuvieron el premio Nobel de Física 2012.

Wineland, en Estados Unidos, usa fotones para estudiar átomos; y Haroche, en Francia, usa átomos para estudiar fotones. Ambas técnicas permiten la medición y manipulación cuántica no destructiva de los estados superpuestos a nivel individual, para estudiar las propiedades de un solo átomo o un solo fotón.

Además de instrumentación sumamente avanzada, para estudiar los estados cuánticos se deben aislar las partículas lo más posible del entorno, en condiciones precisas de temperaturas muy bajas y alto vacío. Esto permite que los sistemas cuánticos tengan una vida media considerable –antes de que desaparezcan sus estados superpuestos– de unos cuantos segundos y hasta horas, algo muy notable en función de los tiempos atómicos y que permitirá a los científicos entender un poco más sobre la composición de la materia y su interacción con la luz, y viceversa.

La técnica desarrollada por Haroche y su equipo consiste en atrapar fotones, partículas de luz, en una cavidad formada por dos espejos muy conductores y reflejantes, entre los que rebota un fotón recorriendo una distancia similar a darle una vuelta completa a la Tierra. Desde una fuente que genera un haz de átomos de rubidio, uno de ellos es seleccionado por su velocidad y número cuántico y enviado para entrar a la cavidad; “gracias a esto durante toda la medición se conoce la posición del átomo dentro de la cavidad con una precisión de ±1mm”, explica el investigador del Instituto de Ciencias Nucleares José Ignacio Jiménez Mier y Terán, miembro de la Academia Mexicana de Ciencias.

Dentro de la trampa, el átomo enviado interacciona con el fotón de manera controlada y obtiene información sobre sus estados superpuestos. Tras él se envían más átomos iguales y al salir se analizan (comparando las propiedades antes y después de pasar por la cavidad) para inferir el estado del fotón atrapado. Jiménez, quien también trabaja con trampas cuánticas y con átomos de rubidio, indica que al final “se tiene que hacer una detección muy sensible de los estados en los que salen los átomos”. Al analizar la secuencia de átomos de rubidio que pasan por la trampa, prácticamente se puede ver el proceso de desaparición de las propiedades cuánticas del fotón hasta que lo absorben los espejos de la cavidad.

Por otra parte, en el laboratorio de Wineland se creó una trampa para atrapar una o varias partículas cargadas –iones– gracias a la acción de campos eléctricos o magnéticos. Un haz de luz láser, es decir fotones, detiene el movimiento de las partículas, por lo que baja su energía y temperatura para analizar las propiedades cuánticas lo más cercano a su estado más básico. El cambio rápido de las cargas del campo provoca que el átomo oscile dentro de la trampa y quede en un pozo de potencia, listo para recibir el pulso de uno o varios láseres que lo empujan para que exprese sus estados superpuestos.

Entre las aplicaciones de estas trampas cuánticas destaca la construcción de relojes ópticos, logro del grupo de Wineland, cien veces más precisos que los relojes atómicos de cesio que se usan para estandarizar la medición del tiempo, por ejemplo en sistemas de navegación por satélite, los cuales tienen que ser continuamente calibrados para ajustar la ganancia o pérdida de unos cuantos microsegundos en un lapso determinado. Pero lo que ambas técnicas prometen para un futuro aún lejano es la construcción de computadoras cuánticas que puedan realizar cálculos más allá de la capacidad de las computadoras actuales. El poder aislar las partículas del ambiente sin destruir sus propiedades cuánticas es un paso para materializar los bits cuánticos (qubits), como unidades mínimas de información, que puedan expresar varios valores a la vez para hacer funcionar estos sistemas.

Sin duda, la designación del Nobel es un estímulo para la física cuántica. La investigadora Rocío Jáuregui, del Instituto de Física de la UNAM y también integrante de la AMC, señaló que esto “tiene consecuencias para el entendimiento más claro de la mecánica y la ingeniería cuántica, hacia la habilidad de tener control de objetos cuánticos buscando una finalidad específica. También abre brecha a una pregunta muy importante: cómo hacer un estudio detallado de las pérdidas de control cuántico por la observación parcial del sistema, es el problema fundamental que enfrentan estos investigadores y las perspectivas de su trabajo van dirigidas a ese control.”

Paula Buzo Zarzosa