Mundo cuántico, relojes y computación

Observar y medir es, desde los tiempos de Galileo, la función fundamental de la Física. Un hecho sólo puede considerarse cierto cuando puede ser observado y, a continuación, medido en diferentes lugares y por diferentes investigadores. Los fenómenos que vemos alrededor, los fenómenos que apreciamos con nuestros sentidos, son fenómenos de carácter macroscópico que pueden ser analizados con las técnicas tradicionales, más o menos sofisticadas, que están al alcance de casi todos. Gran parte de la Física que se estudia, y que tiene que ver con ese mundo macroscópico, cumple las anteriores condiciones. Pero existe "otra" Física, la Física de los fenómenos microscópicos que todavía se seguía resistiendo a esa observación y a esa medida. Es la que trata de explicar qué ocurre a niveles cuánticos donde ya la materia, alejada de la que apreciamos en la vida diaria, deja de tener las propiedades a las que estamos acostumbrados. El comportamiento de las partículas aisladas difiere de manera significativa del que tienen los conjuntos de esas mismas partículas en interacción con su entorno. Si en estas últimas pueden aplicarse las leyes de la Física clásica, en las partículas aisladas sólo tienen realidad las leyes de la Física cuántica. Y hasta ahora su comportamiento sólo podía estudiarse mediante ecuaciones matemáticas o a través de experimentos imaginados. Situaciones, previstas por la teoría, como por ejemplo la de que una partícula podía estar en dos estados a la vez, eran imposibles de ser determinadas experimentalmente. Tratar de observar a partículas aisladas conducía a su destrucción.

En sus trabajos a lo largo de más de veinte años, el francés Serge Haroche y el americano David Wineland,fueron capaces de observar y medir, con técnicas revolucionarias, comportamientos en sistemas microscópicos antes sólo previstos a través de ecuaciones o mediante experimentos imaginados

La Fundación Nobel ha querido este año premiar a los dos investigadores anteriores por sus aportaciones en este campo y por la posibilidad de que, a partir de ahora, se pueda trabajar con partículas que puedan tener dos estados a la vez. En ambos casos, un fotón ha sido el protagonista. En uno, en los trabajos del americano David Wineland, átomos o iones se controlan y se miden con la ayuda de luz, esto es, de fotones. En el otro, el francés Serge Haroche adopta un planteamiento dual: controla y mide fotones mediante el envío de átomos a la trampa en la que se encuentran aquellos. Sus trabajos se realizaron de forma independiente y con objetivos distintos. Y, como ha ocurrido siempre, son el resultado de múltiples realizaciones previas que, en este caso, se desarrollaron a lo largo de las décadas de los ochenta y los noventa del siglo pasado. En esos años se desarrolló la posibilidad de enfriar iones individuales, atrapados en un mínimo volumen, y controlar su estado mediante la ayuda de los fotones de un láser sin que éstos interaccionen con aquellos.

Wineland trabaja en Boulder, Colorado, en el National Institute of Standards and Technology, y en la Universidad de Colorado. En sus trabajos mantiene átomos o iones cargados, en el interior de una trampa, mediante campos electrostáticos. Estas partículas se mantienen aisladas del exterior de tal manera que, además de encontrarse en el más alto vacío, su temperatura es prácticamente 0º K y no sufren la influencia de ningún tipo de radiación externa. Mediante un haz láser suprime toda vibración térmica obligando al ión a situarse en su estado de mínima energía. Mediante otro pulso láser, adecuadamente sintonizado, se puede situar a dicho ión en una situación de superposición de estados, esto es, en la que pueden coexistir dos estados diferentes. Si el ión se encontraba en el nivel de mínima energía, el pulso láser le sitúa en una posición intermedia entre dicho nivel y el inmediatamente superior. Esa situación, que se corresponde a la entre dos niveles energéticos, es un estado de superposición de estados, con idéntica probabilidad de encontrarse en cualquiera de esos dos.

En el planteamiento de Haroche, que trabaja en el Collège de France y en la École Normale Supérieure de París, es un fotón, con una frecuencia correspondiente al margen de las microondas, el que se introduce en una pequeña cavidad entre dos espejos separados tres centímetros. Estos espejos son de un material superconductor enfriado a temperaturas próximas al cero absoluto y con una de las mejores reflectividades a nivel mundial. La reflectividad es tan alta que un fotón puede estar yendo de la una a la otra durante un tiempo de una décima de segundo antes de que sea absorbido. Este tiempo le permite viajar entre los espejos una distancia de aproximadamente 40.000 km, esto es, una vuelta completa a la Tierra. Ese tiempo permite efectuar las experiencias cuánticas deseadas. Para ellas Haroche usó unos átomos especiales, denominados átomos de Rydberg, que permiten controlar y medir al fotón. Estos átomos tienen un radio de 125 nanómetros, lo que implica que son unas mil veces mayores que un átomo normal, y tienen una forma equivalente a una rosquilla. Al ser introducidos en la cavidad en la que se encuentra el fotón, pueden interaccionar con él de una manera controlada. Atraviesan la cavidad y el fotón queda en ella. Pero la interacción entre el fotón y el átomo da lugar a un cambio de fase en el estado cuántico del átomo. Si suponemos que este estado es una onda, los picos de la misma se habrán desplazado y este desplazamiento de fase, que puede ser medido cuando el átomo sale de la cavidad, revela la presencia o la ausencia de un fotón en el interior de la misma. Cuando no hay fotón, no hay desplazamiento de fase. Haroche fue así capaz de medir la presencia de un único fotón sin perturbarle. Sin esta técnica, cualquier interacción de un fotón con un agente externo le destruiría.

Las implicaciones de lo anterior desbordan cualquier pronóstico que pueda hacerse, sobre todo porque el mundo que permite la mecánica cuántica es muy diferente al que estamos acostumbrados. La superposición a que se aludía antes es uno de esos fenómenos: una partícula cuántica puede estar en diferentes estados simultáneamente, no como en el mundo ordinario que estaría "aquí" o "alli", pero nunca "aqui" y "allí" al mismo tiempo. Una de las consecuencias más espectaculares es su posible aplicación en ordenadores. En la computación que hoy tenemos, todos los procesos se basan en el uso de unidades de información, bits, que únicamente pueden tomar dos valores, "0" y "1". En el caso de la computación cuántica, la unidad de información, el bit cuántico o qubit, puede valer al mismo tiempo "0" y "1". Dos qubits podrían adoptar, simultáneamente, cuatro valores, "00", "01", "10" y "11". Así, n qubits podrían alcanzar 2n valores. Un ejemplo que aclara las ventajas de esto es el problema de determinar el camino más corto entre dos puntos en una ciudad. Es lo que se conoce como el problema del viajante de comercio. Un ordenador convencional, con solo bits de dos estados, alcanza la solución mediante el análisis sucesivo de cada una de las trayectorias y determinando al final cuál es la más corta. En el caso de un computador cuántico, todos los caminos podrían calcularse al mismo tiempo, como si el viajante recorriera todos ellos simultáneamente y viera cuál es el más corto.

Wineland, comentando lo anterior, indica que "no recomendaría a nadie comprar acciones de una compañía de ordenadores cuánticos"; a pesar de ello es optimista y piensa que, algún día, será posible el computador cuántico.

Y al mismo tiempo que surge la posibilidad de un ordenador cuántico mucho más rápido que cualquiera de los actuales, surge también la posibilidad de disponer de nuevos relojes, cientos de veces más exactos y precisos que los actuales basados en átomos de cesio y que son usados como patrones en la medida del tiempo. Mientras que estos trabajan en el margen de las microondas, el reloj de Wineland emplea luz y con ello longitudes de onda mucho más pequeñas. Un reloj óptico, como podría designarse el fabricado con este principio, está compuesto únicamente por dos iones en una trampa como la indicada antes. Un ion se utiliza como reloj mientras que el otro se usa para leerle sin causar ningún tipo de interferencia. Su precisión puede ser de una parte en 1017. Este valor, como puede verse en la información dada por la Fundación Nobel, se reflejaría en el hecho de que si un reloj como éste hubiera empezado a funcionar en el inicio del Big Bang, hace catorce mil millones de años, tan sólose hubiera desviado en el momento actual en unos cinco segundos. El interés del National Institute of Standards de Colorado en este tema, tan aparentemente básico, queda así plenamente justificado.

Una vez más la luz ha sido protagonista del Premio Nobel. Ya lo fue hace tres años, cuando se dio a C. Kao, inventor de la fibra óptica, y como lo había sido antes, en otras quince ocasiones. La aparición del láser en 1960 ha sido una de las semillas más fructíferas en la Física de finales del siglo XX y parece lo será también en la del siglo XXI. En esta ocasión ha servido para que la célebre paradoja del gato de Schrödinger, que desde 1935 ha servido de ejemplo de la superposición de estados y su imposibilidad de determinarlos, pueda tener un final feliz.