Nobel de física 2012 para dos físicos con dedos de seda

La Academia de Ciencias de Suecia otorgó hoy el Premio Nobel de física 2012 al físico francés Serge Haroche, del Collège de France y la École Normale Supérieure, y al estadounidense David Wineland, del National Institute of Standards and Technology de Estados Unidos. Haroche y Wineland llevan ya muchos años investigando experimentalmente cómo observar átomos y partículas de luz (fotones) que se encuentran en un precario estado de personalidad múltiple que sólo es posible en la física de los objetos más pequeños del universo, llamada mecánica cuántica. El abanico de técnicas experimentales que han desarrollado junto con otros equipos de investigación servirá en el futuro para fabricar computadoras mucho más poderosas y versátiles que las de hoy. Wineland ya las ha aplicado en la construcción de relojes experimentales que miden el tiempo con una precisión mucho mayor que los actuales relojes de cesio que se usan como patrones internacionales de tiempo.

Haroche contó en una entrevista que andaba de paseo con su esposa por las calles de París esta mañana cuando recibió una llamada. Cuando vio el número, reconoció el prefijo de Suecia y se tuvo que sentar en una banca. Serenándose, contestó la llamada que pocos reciben. Wineland y Haroche compartirán el premio de 8 millones de coronas suecas, que equivale a unos 600,000 dólares por cabeza. Suficiente para pagarse la champaña que Haroche se tomó con sus familiares al mediodía.

En los años 30 Albert Einstein y Erwin Schrödinger (y algunos otros físicos) protestaban por las cosas tan extrañas que predecía la flamante teoría cuántica, a la que ellos mismos habían contribuido con trabajos fundamentales. En un artículo publicado en 1935 Einstein y sus colegas Nathan Rosen y Boris Podolsky publicaron un artículo histórico en el que señalaban que, si la mecánica cuántica era correcta, entonces se podría transmitir información instantáneamente entre objetos que estuvieran incluso en lados opuestos del universo. Esto era absurdo a la luz de la teoría especial de la relatividad, que dice entre otras cosas que nada puede propagarse más rápido que la luz. Así, cualquier información que intercambien dos objetos tardará en llegar de uno a otro por lo menos el tiempo que tardaría la luz. Imposible que llegue instantáneamente.

Por la misma época, y en otro artículo igual de histórico, Schrödinger ideó una situación muy ingeniosa con la intención de señalar otro aspecto aparentemente absurdo de la mecánica cuántica. Con su célebre experimento imaginario del gato de Schrödinger, el físico austriaco mostró que la forma actual de la teoría cuántica decía que un objeto podía estar en muchos lugares al mismo tiempo, o en general tener propiedades contrarias simultáneamente: un fotón podía desplazarse en dos direcciones opuestas al mismo tiempo, por ejemplo. Esto sería como lanzar un dado y obtener todos los números en vez de uno solo.

En los últimos 20 o 30 años los físicos han estado construyendo dispositivos experimentales que indican, al parecer, que Einstein y Schrödinger estaban equivocados. Hoy se "teletransportan" partículas atómicas alegremente usando el efecto Einstein, Podolsky y Rosen y se ponen sistemas atómicos en estados esquizofrénicos que harían palidecer de envidia al gato del experimento. Pero persistía un problema: los estados tipo gato de Schrödinger (llamados superposiciones de estados coherentes) eran muy precarios: la menor interacción con el resto del mundo -el más leve soplo de energía- hacía que el sistema atómico se precipitara sobre uno solo de los estados posibles, destruyendo el estado superpuesto como un castillo de naipes en un vendaval. El dado cuántico no podía durar mucho tiempo en la posición combinada 1, 2, 3, 4, 5, 6. ¿Cómo se podía observar estos estados, si no se los podía tocar ni con el pétalo de una rosa sin destruirlos? Peor aún: ¿cómo se les podría sacar provecho con aplicaciones prácticas, que inevitablemente exigirían que algo interactuara con ellos para sacarles información?

Wineland y Haroche han estado sobre este problema (independientemente) desde los años 70. Hoy tienen técnicas en cierta forma opuestas para acariciar gatos de Schrödinger sin que se les erice el pelo.

Haroche y su equipo han ideado una manera de atrapar partículas de luz en una cavidad flanqueada por espejos hiper reflejantes. Los espejos, de material superconductor, son tan perfectos, que un fotón puede rebotar mil millones de veces en ellos sin que los espejos lo absorban. Esto les da a Haroche y a sus colegas cerca de una décima de segundo para hacer experimentos con los fotones, una eternidad en la escala atómica. El equipo de Haroche lanza átomos preparados especialmente a través de la cavidad donde rebotan sus fotones indecisos. A los átomos se les miden ciertas propiedades antes y después del paso por la cavidad. De la diferencia, los investigadores infieren las propiedades de los fotones del interior sin destruir la superposición coherente. En otras palabras, se puede extraer información del estado coherente sin alterarlo. Esto podría servir en el futuro para construir computadoras cuánticas. Una computadora normal opera con unidades de memoria llamadas bits que pueden estar en uno de dos estados: 0 o 1. En una computadora cuántica los bits podrían estar en combinaciones de estos estados, lo que aumenta las posibilidades. Hasta hoy el problema con los bits cuánticos ha sido cómo aislarlos del universo para que no pierdan la coherencia al tiempo que se interactúa con ellos para extraerles información. Haroche y su equipo han resuelto este problema.

Wineland y sus colaboradores han desarrollado una jaula para átomos. Usando rayos láser cuidadosamente sintonizados y alineados atrapan átomos individuales y les reducen la velocidad hasta dejarlos prácticamente inmóviles (lo que equivale a enfriarlos: los objetos calientes lo están porque sus átomos o moléculas se agitan  frenéticamente). Luego envían un pulso brevísimo de luz láser que pone a los átomos en un estado coherente entre dos niveles de energía. La técnica es en cierta forma opuesta a la de Haroche y colegas: Haroche usa átomos para observar estados superpuestos de partículas de luz y Wineland usa luz (láser) para observar estados superpuestos de átomos. La técnica de Wineland (que aprovecha adelantos que se hicieron el en mismo Instituto de Patrones y Tecnología de Estados Unidos donde trabaja) sirve para construir relojes tan precisos, que si los hubiéramos puesto en hora al momento del Big Bang, hace 13,700 millones de años, hoy apenas se habrían desfasado 5 segundos. Los relojes de cesio que se usan actualmente como patrones internacionales de tiempo pierden o ganan un segundo en 130 millones de años, o sea, son mucho menos precisos que el reloj óptico de Wineland y compañía.

La ceremonia de entrega del Premio Nobel se llevará a cabo el 8 diciembre.