Ganadores del Nobel de Física 2012 impulsan una nueva era de experimentación para la física cuántica

La física cuántica está de gala. Hace unos días, la Real Academia Sueca de las Ciencias anunció que otorgaba el Premio Nobel en Física 2012 a dos científicos: Serge Haroche, investigador del Colegio de Francia y la Escuela Normal Superior en París, y a David Wineland, profesor del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y de la Universidad de Colorado Boulder en Estados Unidos.

El motivo del premio fue el desarrollo de innovadores métodos experimentales que permiten la medición y manipulación de sistemas cuánticos individuales.

Para comprender la importancia del hallazgo es necesario recordar que la materia y la energía, a nivel macroscópico, se rigen por las leyes de Newton, pero a nivel atómico se comportan diferente y este comportamiento es explicado por la mecánica cuántica. Estudiar partículas cuánticas sin destruirlas había sido tan complicado para los físicos que incluso, se llegó a pensar que lograrlo era inalcanzable.

En entrevista, la doctora Rocío Jáuregui, investigadora del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México, explicó que el mérito de los investigadores fue que, cada quien en su laboratorio y con métodos distintos, pudieron aislar partículas cuánticas individuales para poderlas estudiar ciudadosamente.

Los dos ganadores del Premio Nobel son especialistas en el estudio de la interacción entre la luz y la materia y cuentan con los laboratorios más avanzados del mundo en el ámbito de la óptica cuántica.  Ellos mismos y sus colaboradores desarrollaron los equipos, instrumentos y herramientas necesarios para aislar estas partículas y estudiarlas. Wineland y Haroche encontraron el mejor mecanismo para estudiar esas partículas cuánticas antes que nadie y lo llevaron a la excelencia, destacó la especialista.

El método de David Wineland consistió en rodear un sólo átomo cargado eléctricamente de campos eléctricos, para lograrlo, realizó sus experimentos al vacío y a temperaturas extremadamente bajas. Esta partícula ya confinada se puede manipular enviando pulsos de luz laser y estudiando la luz que sale del sistema.

Por otro lado, Serge Haroche encontró la forma de atrapar un solo fotón en una trampa de espejos hechos con materiales superconductores enfriados a una temperatura muy cercana al cero absoluto. Los espejos son tan reflectivos que un fotón puede permanecer en la cavidad durante un décimo de segundo antes de ser absorbido.

Mientras el fotón se encuentra confinado en este “recipiente” se puede enviar un solo átomo para que interactúe con él y así conocer algunas propiedades de la naturaleza cuántica del fotón.

Este tipo de experimentos eran inimaginables en el siglo pasado, cuando se inició la descripción de la mecánica cuántica. Entonces, los físicos sólo podían hacer experimentos teóricos. Muchas décadas después, estos dos científicos, con sus métodos para atrapar partículas cuánticas individuales, abren la puerta para una nueva era de experimentación en la mecánica cuántica.

Investigaciones que dejan huella

Rocío Jáuregui señaló que los ganadores del Nobel de Física 2012 iniciaron sus investigaciones en los años 80, pero fue hasta la década de los 90 cuando la comunidad científica empezó a reconocer que sus trabajos podrían tener aplicaciones importantes para utilizar átomos y luz en operaciones de cómputo, codificación de números, transmisión de información o la fabricación de relojes ultra precisos.

Con los conocimientos de estos notables científicos, ya hay otros grupos de investigación que, desde hace 15 años, se enfocan en implementar las ideas de informatica cuántica. Su idea es utilizar átomos y luz para vaciar información y datos y posteriormente recuperarla. Lograr que esto sea una realidad puede tomar varias décadas, pero las investigaciones de Wineland y Haroche definitivamente constituyen pasos sólidos en esa dirección.

El equipo de investigadores dirigidos por el doctor David Wineland, por ejemplo, ha usado sus investigaciones de iones confinados en una trampa para construir un reloj óptico que es cien veces más preciso que los relojes atómicos actuales.

Contar con estos relojes ultra precisos permitirá estudiar fenómenos de la naturaleza que hasta ahora no se podía, como los efectos del movimiento y la gravedad en el tiempo. Una medición tan precisa del tiempo también es importante para el funcionamiento del Internet, los GPS y las comunicaciones por satélite, entre otras tecnologías.

Rocío Jáuregui dijo que la frontera entre el micro mundo cuántico y el mundo macro donde rigen las leyes de la física clásica, todavía es un misterio para la física y hacia allá se dirigirán muchos estudios en el futuro.

Los galardonados diseñaron técnicas en las que se aísla una partícula cuántica para estudiarla individualmente, pero en el mundo, fuera del laboratorio, los sistemas cuánticos y los clásicos no se encuentran aislados, sino que interaccionan constantemente. Comprender con mayor profundidad dicha interacción será tarea de los físicos en los años por venir.

En opinión de la investigadora, es fundamental que los ciudadanos comprendamos que describir la naturaleza buscando entender lo que ocurre a la escala más fina, puede tener, al paso del tiempo, consecuencias muy importantes en la vida cotidiana y que esa es una buena razón para apoyar la ciencia.

Cuando iniciaron sus trabajos, dijo, los premios Nobel 2012 no buscaban crear una supercomputadora cuántica, sino comprender lo que pasa en sistemas cuánticos aislados; sin embargo, sus conocimientos permitirán a otras mentes desarrollar dispositivos que podrían revolucionar la vida de la humanidad.

Los dos galardonados este 2012 por la Real Academia Sueca de las Ciencias han visitado el Instituto de Física de la UNAM, en el pasado, para compartir con los físicos mexicanos los últimos avances en el área de su especialidad.