Optica cuántica, la ciencia que cambió la vida diaria

El francés Serge Haroche y el estadounidense David Wineland obtuvieron ayer el premio Nobel de Física de 2012 por inventar y desarrollar métodos para observar las diminutas partículas cuánticas conservando sus propiedades. La investigación en este campo ha conducido a la construcción de relojes extremadamente precisos y ayudado a los científicos a dar los primeros pasos para construir computadoras superveloces.

La Real Academia Sueca informó que los dos científicos fueron distinguidos "por innovadores métodos experimentales que permiten la medición y manipulación de sistemas cuánticos individuales".

El extraño mundo de las partículas cuánticas reside más allá de nuestra percepción, pero tiene consecuencias directas en nuestra vida diaria, por ejemplo al utilizar una computadora, lámparas de bajo consumo o sistemas de navegación.

Ambos investigadores desarrollaron refinadas técnicas para la observación e intervención en el mundo cuántico, lo que llevó a la construcción de ordenadores revolucionarios y relojes más precisos.

Tanto Haroche como Wineland, pioneros en la óptica cuántica, son especialistas a la hora de "domar" las partículas. Consiguieron capturar atómos con carga eléctrica, iones, o fotones en estructuras especiales, pudiendo así observarlos y manipularlos. Se trató de todo un logro, pues además de la dificultad de capturar partículas cuánticas aisladas, estas suelen destruirse en el proceso de observación. Así, para observar un fotón aislado, es necesario atraparlo, un proceso en el cual la partícula es absorbida. Así que durante mucho tiempo tan sólo se contemplaron experimentos teóricos en este campo.

Sin embargo, los nuevos premios Nobel consiguieron medir esos sistemas cuánticos sin destruirlos. "Ambos llevaron a cabo una serie de experimentos increíbles en la óptica cuántica y sentaron verdaderos fundamentos", explicó el director del Instituto Max Planck de Optica Cuántica de Garching (Alemania), Immanuel Bloch.

Sus investigaciones posibilitaron toda una serie de nuevas aplicaciones, y no sólo en el campo de la física: los actuales relojes atómicos podrían ser sustituidos pronto por relojes ópticos atómicos a nivel general. En ellos, en lugar de contarse las oscilaciones de un átomo de cesio, se contarán las que existen en iones de aluminio, y estas son unas diez veces más rápidas.

Como resultado, los relojes atómicos ópticos son cien veces más exactos que los relojes atómicos clásicos de cesio. Un ejemplo: un reloj atómico óptico que hubiera sido lanzado con el big bang, hace 13.700 millones de años, sólo se desviaría hoy en cinco segundos. "Los relojes atómicos del presente y del futuro emplean métodos desarrollados por David Wineland", explicó Fritz Riehele, del Instituto Federal Fisicotécnico de Alemania. ¿Y para qué es necesaria semejante precisión? Sin ir más lejos, para la navegación por satélite. Según la teoría de la relatividad de Albert Einstein, la fuerza de la gravedad modifica el tiempo. Como consecuencia, los relojes de los satélites de navegación tienen que ser continuamente sincronizados, pues la fuerza de la gravedad es algo menor a un par de cientos de kilómetros de altura que en la superficie terrestre.

Con los relojes atómicos ópticos, se pueden determinar grandes diferencias a tan sólo 30 centímetros, según demostró en 2010 el equipo de Wineland del Instituto Nacional de Estándars y Tecnología (Nist) de Colorado, Estados Unidos.

Los investigadores esperan una revolución técnica con las computadoras cuánticas. La unidad de almacenamiento del ordenador tradicional, el bit, puede adoptar uno de estos dos valores: el 0 ó el 1. Sin embargo, los bit cuánticos poseen ambos valores a la vez. Dos bit cuánticos poseen valores del 0 al 4 y con tan sólo 300 bit cuánticos pueden representarse simultáneamente más valores que átomos hay en el universo. Simplificando, una computadora cuántica realiza simultáneamente cálculos para todos los valores representables.

Sin embargo, la construcción de una computadora cuántica es tremendamente complicada. El grupo de Wineland mostró las primeras operaciones de cálculo con dos bit cuánticos, y otros grupos lograron realizar operaciones cuánticas con varios bit cuánticos. Aún así, el camino para conseguir un ordenador cuántico es todavía largo. "No es tan fácil", apuntó el físico sueco Gunnar Ingelman. "Quizás podría haber algo a finales de este siglo", aventura con cautela.

Según la Real Academia de las Ciencias en Estocolmo, "si llega (una computadora cuántica), cambiará nuestra vida de forma tan radical como el ordenador clásico cambió la vida el siglo pasado".