Premio Nobel de Física 2012


El Premio Nobel de Física 2012 ha recaído en los científicos Serge Haroche (derecha en la imagen), profesor del Collège de France y la Ecole Normale Supérieure en París (Francia), y David J. Wineland, investigador del National Institute of Standards and Technology (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder (EE.UU.) por “innovadores métodos experimentales que permiten medir y manipular sistemas cuánticos individuales”. Preguntamos a nuestro experto CPAN, Armando Pérez, del departamento de Física Teórica de la Universidad de Valencia, y miembro del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), en qué consisten estos métodos.
Los experimentos de Wineland y Haroche tienen en común la interacción entre átomos (o iones) y la radiación realizados con una gran precisión, de manera que se mantenga la “coherencia cuántica” el tiempo suficiente. La coherencia es una de las propiedades más importantes de la mecánica cuántica: permite formar estados que son combinaciones de otros. Los puntos de vista en ambos casos son, sin embargo, diferentes. Mientras Wineland y sus colaboradores en el instituto NIST utilizan trampas electromagnéticas de iones, los cuales son manipulados mediante la interacción con láseres, la técnica utilizada por Haroche es, en cierta forma, opuesta, ya que explora los estados de la radiación en una cavidad electrodinámica mediante el paso de átomos a través de ella.
En ambos casos pueden crearse “estados entrelazados”, fenómeno descrito por la mecánica cuántica donde a las partículas entrelazadas (en inglés, entangled) no se les puede atribuir estados individuales definidos. Un sistema de dos partículas entrelazadas, como un todo, posee una descripción cuántica precisa. Sin embargo, las medidas que realicemos sobre cada una de ellas arrojarán resultados aleatorios. Sorprendentemente, aunque esto se cumple por separado para cada partícula, los resultados de ambas están correlacionados, como corresponde al hecho de que el estado del sistema total está bien definido. El principal enemigo de los estados entrelazados es la “decoherencia”, fenómeno causado por la interacción con el entorno, por el cual se pierden las correlaciones antes mencionadas.
En los experimentos que han merecido el Nobel, los estados entrelazados son creados ya sea entre iones atrapados (Wineland) o entre niveles del átomo y los estados de la cavidad (Haroche). Los estados obtenidos permiten explorar con gran precisión principios básicos de la mecánica cuántica como el propio entrelazamiento, el proceso de medida, la aparición de la decoherencia cuántica o la presencia de estados de tipo "gato de Schrödinger" y su evolución posterior.

Dificultades metodológicas

Acerca de la dificultad de almacenar y manipular partículas individuales desde el punto de vista cuántico, tenemos dos situaciones distintas. Para los experimentos de Wineland, que almacena iones (átomos a los que se les ha extraído algún electrón), estos pueden ser  confinados mediante combinaciones de campos eléctricos y/o magnéticos, formando configuraciones lineales llamadas “trampas de iones”, como la de la imagen. Un aspecto importante es el de ralentizar el movimiento de los iones, lo cual se consigue principalmente mediante enfriamiento láser y alguna otra técnica adicional.

En total, tendremos varios iones atrapados en una distancia de algunos nanómetros (imagen), en una estructura que permite su aislamiento y su coherencia durante algunos minutos. En esta estructura, existen dos tipos de estados cuánticos que podemos utilizar para almacenar la información. Por una parte, tenemos los propios niveles energéticos de los iones. Además, los iones oscilan en la trampa, y este movimiento oscilatorio también obedece a leyes cuánticas. Podemos, de hecho, transferir información entre ambos tipos de estados para crear estados entrelazados.
Por su parte, en los experimentos de Haroche la radiación es “atrapada” en una cavidad de microondas, que consiste en dos espejos altamente reflectantes, con muy pocas pérdidas, a una distancia mutua de un par de centímetros, y enfriada a una temperatura de menos de 1 Kelvin (1K). A tan bajas temperaturas, la cavidad contiene un número (promedio) muy reducido de fotones: apenas unos pocos. Podemos investigar la naturaleza de esa radiación enviando un “tren” de átomos de rubidio (Rb) preparados en estados de tipo Rydberg, los cuales se caracterizan por el gran tamaño de sus orbitales y un acoplamiento intenso con el campo de la cavidad.

Avances

Encontramos experimentos que se pueden considerar precursores en los trabajos de Norman F. Ramsey, Hans G. Dehmelt y Wolfgang Paul, Nobel de Física en 1989, y de Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji y William D. Phillips, Nobel de Física 1997, por cuanto los galardonados de este año utilizan los conocimientos desarrollados en la interacción entre radiación y átomos para el diseño de trampas de iones o de fotones en una cavidad, así como las técnicas de enfriamiento, confinamiento y manipulación.
Sin embargo, los trabajos de Wineland han permitido ir un paso más allá al lograr estados cuánticos entrelazados entre dos o más iones, y manipularlos de manera que se realicen "puertas cuánticas", es decir las operaciones cuánticas elementales que operan en un ordenador clásico, pero ahora con "qubits" (bits cuánticos, cuya recreación aparece en la imagen) en lugar de con los bits de nuestros ordenadores convencionales.
En el caso de Haroche, se consiguen estados superposición entre dos niveles del átomo que atraviesa la cavidad, siendo esta superposición sensible a la presencia de fotones en la misma, lo que permite obtener información de la radiación presente en dicha cavidad sin destruir el estado cuántico a observar: es lo que se denomina un "quantum non-demolition measurement", un objetivo largamente perseguido en el estudio de los sistemas cuánticos.

Aplicaciones

En cuanto a la aplicación de los métodos desarrollados por Wineland y Haroche, hay que tener en cuenta que la mecánica cuántica ha generado ya un sinnúmero de aplicaciones: en Electrónica (transistor, diodo de efecto túnel), en Medicina (resonancia nuclear magnética) y en muchos otros campos. Los avances de las últimas décadas se integran en una nueva revolución que se suele conocer bajo el nombre de Información Cuántica. El control en la manipulación de estados cuánticos propicia aplicaciones como la criptografía cuántica, en fase comercial aunque no muy extendida, que permite comunicaciones más seguras.
Por su parte, las investigaciones de Wineland han permitido el diseño de un reloj atómico con una precisión cien veces mayor que la de los relojes de cesio utilizados hasta ahora. Gracias a este tipo de relojes atómicos, es posible medir efectos relativistas con velocidades o campos gravitatorios pequeños, a escala del laboratorio. La transmisión de estados cuánticos, mediante el mecanismo de teleportación, también está experimentando notables avances.

Ordenador cuántico

Una aplicación futura será el diseño de ordenadores cuánticos, con propiedades incomparables a los ordenadores actuales. El equipo de Wineland ha logrado construir un prototipo que utiliza 8 qubits. Sin embargo, para tener un ordenador cuántico realmente potente harían falta miles de qubits, aunque no está claro de qué manera se podría manejar un número tan grande de piezas cuánticas sin que la interacción con el entorno, la mencionada decoherencia, arruine el delicado entrelazamiento antes de que se puedan realizar operaciones cuánticas.

Para Armando Pérez, quien trabaja en información cuántica desde 1995 y colabora con varios institutos del área, crear un ordenador cuántico puede ser cuestión de años o de décadas. Probablemente, hace falta alguna idea revolucionaria para conseguirlo. Sin embargo, hay cosas que se pueden lograr con un número mucho menor de qubits (unas decenas): son los llamados simuladores cuánticos. Éstos son sistemas que emulan las propiedades básicas de otros sistemas más complicados. Por ejemplo, con átomos en redes ópticas (imagen) se pueden simular las interacciones de un sistema de átomos en interacción, y así se podría mejorar nuestro conocimiento sobre el mecanismo de la superconductividad a alta temperatura.
Según el científico del IFIC, la investigación sobre información cuántica tiene un buen nivel en España. Existen varios grupos de investigación distribuidos por el país, así como un centro que combina físicos teóricos y experimentales como el ICFO (Instituto de Ciéncias Fotónicas). Además, Armando Pérez destaca la presencia de investigadores españoles de prestigio internacional que trabajan en otros centros, entre los cuales el más conocido es Juan Ignacio Cirac, director de la División Teórica del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica (Garching, Alemania) y Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica 2006.
Cirac recibió en 2010 la Medalla Franklin en Física junto a Wineland y Zöller. Sobre si este hecho dificulta o facilita la concesión de un Premio Nobel al trabajo del investigador español en este ámbito, Armando Pérez es cauto: dependerá de la evolución que experimente la consecución de un ordenador cuántico en el futuro.

Más información:

"Computación cuántica con iones", artículo de Wineland en Investigación y Ciencia (octubre 2008)
En @minutephysics explican en poco más de dos minutos el Nobel de Física de 2012