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Haroche y Wineland han abierto la puerta a una nueva era
en la experimentación en física cuántica al lograr la
observación directa de sistemas cuánticos individuales sin
destruirlos. Con sus ingeniosos métodos experimentales han
logrado medir y controlar estados cuánticos muy frágiles
permitiendo con sus investigaciones dar los primeros pasos
hacia la construcción de un nuevo tipo de ordenador súper
rápido, basado en la física cuántica. Estos métodos
también han contribuido a la construcción de relojes
extremadamente precisos que podrían convertirse en la
futura base de un nuevo estándar de tiempo con una
precisión cien veces mayor que los actuales relojes de
cesio.
Las leyes de la
física clásica dejan de ser aplicables cuando tratamos con las
partículas individuales que forman la luz o la materia,
debiendo recurrir entonces a la física cuántica. Pero no es
fácil disponer de partículas aisladas de su entorno, ya
que estas partículas pierden sus misteriosas propiedades
cuánticas en cuanto interactúan con el mundo exterior. Así
muchos fenómenos aparentemente extraños predichos por la
mecánica cuántica no podían ser observados directamente y los
investigadores sólo podían realizar "experimentos mentales"
que pusieran de manifiesto esos extraños fenómenos.
En el
laboratorio de David Wineland en Boulder, Colorado, átomos
con carga eléctrica (iones) se mantienen dentro de una
trampa formada por campos eléctricos que los rodean. Las
partículas se mantienen aisladas del calor y la radiación
de su entorno realizando los experimentos en el vacío y a
temperaturas extremadamente bajas.
El dominio del
arte de la creación y utilización de rayos láser es uno de los
secretos que está detrás del avance de Wineland. El láser se
utiliza para suprimir el movimiento térmico de iones en la
trampa, situando al ion en su estado de menor energía y
permitiendo el estudio de los fenómenos cuánticos con el ion
atrapado. Un pulso de láser cuidadosamente sintonizado puede
utilizarse para situarlo en un estado de superposición, en el
que coexisten, de forma simultánea, dos estados (cuánticos)
diferentes. Por ejemplo, el ion puede estar preparado para
ocupar dos niveles de energía diferentes al mismo tiempo. Se
comienza en un nivel más bajo de energía y el pulso de láser
suministra pequeños empujones hasta situar al ión el ion a
mitad de camino hacia un nivel de energía superior, en
una superposición de energía entre ambos, con una probabilidad
idéntica de terminar en cualquiera de ellos. De esta manera
puede estudiarse una superposición cuántica de estados de
energía.
Serge Haroche y su
grupo de investigación emplean un método diferente para
revelar los misterios del mundo cuántico. En su laboratorio de
París fotones de microondas rebotan continuamente entre dos
espejos situados a unos tres centímetros de distancia. Los
espejos están hechos de material superconductor y se han
enfriado a una temperatura muy cercana al cero absoluto. Estos
espejos superconductores son los más brillantes del mundo. Su
capacidad de reflexión es tan grande que un solo fotón puede
rebotar dentro de la cavidad durante casi una décima de
segundo antes de que se pierda o se absorba. Durante este
largo tiempo de vida el fotón habrá viajado 40 000 kilómetros,
equivalentes a un viaje alrededor de la Tierra.
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Durante la
larga vida del fotón atrapado pueden realizarse muchas
manipulaciones cuánticas. Haroche utiliza átomos
especialmente preparados, denominados átomos de Rydberg
(en honor del físico sueco Johannes Rydberg) para
controlar y medir los fotones de microondas en la cavidad.
Un átomo de Rydberg tiene un radio de unos 125 nanómetros
(aproximadamente 1 000 veces mayor que los átomos
típicos). Estos gigantescos átomos de Rydberg, con forma
de rosquilla, se envían dentro de la cavidad uno a uno a
una velocidad cuidadosamente escogida, para que la
interacción con los fotones de microondas se produzca de
una manera bien controlada.
El átomo de
Rydberg atraviesa la cavidad y los fotones de microondas,
pero la interacción entre el fotón y el átomo crea un
cambio en la fase del estado cuántico del átomo. Si
pensamos en el estado cuántico como una onda, las crestas
y los valles de la onda pueden ser desplazados. Este
cambio de fase puede medirse cuando el átomo sale de la
cavidad, revelando así la presencia o ausencia de un fotón
dentro de la cavidad. Si no hay fotón, no hay cambio de
fase. Haroche puede medir de esta forma un solo fotón sin
destruirlo. |
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Dentro de la
cavidad de Haroche los fotones se sitúan simultáneamente en
estados con fases opuestas, algo similar a un cronómetro cuya
aguja girara hacia la derecha y hacia la izquierda
simultáneamente. El campo de microondas dentro de la cavidad
es sondeado a continuación con átomos de Rydberg. El resultado
es otro extraño efecto cuántico llamado entrelazamiento.
El entrelazamiento ya había sido descrito por Erwin
Schrödinger y puede ocurrir entre dos o más partículas
cuánticas que no estando en contacto directo pueden permanecer
ligadas entre ellas. Cualquier cambio en las propiedades de
una de ellas afecta inmediatamente a las de la otra. El
entrelazamiento de los campo de microondas y los átomos de
Rydberg permitió a Haroche visualizar cómo ocurre la
transición desde la superposición cuántica de estados a un
estado bien definido de la física clásica siguiendo el proceso
paso a paso.
Una posible
aplicación de las trampas de iones con la que sueñan muchos
científicos es el ordenador cuántico. En las
actuales computadoras clásicas la unidad más pequeña de
información es el bit que toma el valor 1 ó 0. En una
computadora cuántica, sin embargo, la unidad básica de
información – un bit cuántico o qubit – puede ser 1 y 0 al
mismo tiempo. Dos bits cuánticos simultáneamente pueden tomar
cuatro valores – 00, 01, 10 y 11 – y cada qubit adicional
duplica la cantidad de estados posibles. Para n bits cuánticos
hay 2 n estados posibles y un ordenador cuántico de sólo 300 qubits podría contener 2 300 valores al mismo tiempo, más que
el número de átomos en el universo.
El grupo de
Wineland fue el primero en el mundo en realizar una operación
cuántica con dos bits cuánticos. Puesto que se han realizado
operaciones de control con uno pocos unos qubits, no hay en
principio ninguna razón para creer que no sería posible lograr
tales operaciones con muchos más qubits. Sin embargo,
construir un ordenador cuántico presenta un enorme desafío
práctico. Tiene que satisfacer dos requisitos opuestos: los
qubits deben estar adecuadamente aislados de su entorno para
no destruir sus propiedades cuánticas y, a la vez, deben ser
capaces de comunicarse con el mundo exterior con el fin de
transmitir los resultados de sus cálculos. Quizás el ordenador
cuántico se construya en este siglo. Si es así, cambiará
nuestras vidas de manera radical, de la misma forma que el
ordenador clásico transformó la vida en el siglo pasado.
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David Wineland
y su equipo de investigadores también han utilizado iones
en una trampa para construir un reloj que es cien veces
más preciso que los relojes atómicos de cesio que
actualmente son el estándar para la medición del tiempo.
Medimos el tiempo ajustando o sincronizando todos los
relojes con un estándar. Los relojes de cesio funcionan en
el rango de las microondas, mientras que los relojes de
iones de Wineland usan luz visible (de ahí su nombre:
relojes ópticos). Un reloj óptico puede constar de uno o
dos iones en una trampa. De los dos iones, uno se utiliza
como reloj y el otro se utiliza para leer el reloj sin
alterar su estado cuántico, lo que provocaría su
destrucción. La precisión de un reloj óptico es mejor que
una parte en 1017, lo que significa que si hubiéramos
comenzado a medir el tiempo al comienzo del universo, en
el Big Bang, hace 14 000 millones des años, el reloj
óptico sólo habría atrasado unos cinco segundos. |
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Con una medición
precisa de tiempo, algunos fenómenos extremadamente sutiles y
hermosos de la naturaleza se han observado, como cambios en el
flujo del tiempo o diminutas variaciones de gravedad en el
entramado espacio-tiempo. Según la teoría de la relatividad de
Einstein el tiempo es afectado por el movimiento y la
gravedad. Cuanto mayor sea la velocidad y más intensa la
gravedad, más lento será el paso del tiempo. No somos
conscientes de estos efectos, pero forman parte de nuestra
vida cotidiana. La navegación con el GPS depende de la
exactitud de recepción de las señales de satélites cuyos
relojes han sido minuciosamente calibrados teniendo en cuenta
que la gravedad es algo más débil varios cientos de kilómetros
sobre la superficie terrestre. Con un reloj óptico es posible
medir la variación del tiempo cuando la velocidad varía en
menos de 10 metros por segundo, o cuando se altera la gravedad
como consecuencia de una diferencia de altura de sólo 30
centímetros. |
