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Domando a la fiera cuántica

Karina Maldonado Portillo
31/oct/2012

Revolucionarios e innovadores, así es como muchos describen los experimentos del francés Serge Haroche y el estadounidense David Wineland, los flamantes ganadores del premio Nobel de Física 2012 por haber 'domado' partículas individuales.

Y no es para menos, ya que el mundo cuántico se constituye de hechos que en el mundo macroscópico serían materia de ciencia ficción tales como la superposición de dos estados o la teletransportación.

Por ese motivo, el 18 de octubre Instituto de Física convocó al coloquio "Sobre la aportación de Serge Haroche y David J. Wineland Premios Nobel de Física 2012", coordinado por Rocío Jáuregui y con la participación de Luis Hernández Pozos (UAM), José Ignacio Jiménez (ICN-UNAM), Pablo Barberis Blostein (IIMAS-UNAM) y Carlos Pineda (IFUNAM).

Hicieron trampas

Los dos físicos laureados ganaron el premio básicamente por hacer trampas. Trampas que permiten atrapar individualmente partículas cargadas. En el caso de Wineland, fueron trampas armónicas a través de las cuales se puede atrapar un ion cuyo estado cuántico –estado interno y movimiento- es controlado por pulsos de láser.

Haroche lo hizo de forma distinta: a través de una cavidad de microondas capaz de atrapar uno o varios fotones. El estado del campo se mide y controla por la interacción de los fotones con los átomos de rubidio altamente excitados.


De lado izquierdo, el experimento de Wineland y del derecho, el de Haroche. Imagen: Nobel Foundation.

Así, David Wineland utiliza iones controlados en una serie y los mide con fotones, mientras que Haroche atrapa fotones entre dos espejos para enviar átomos, los cuales proporcionan información sobre los fotones sin destruirlos. Ambos tienen como finalidad atrapar partículas con carga, lo cual se pensaba que era imposible.

El análisis desde el IF

Durante el coloquio del IFUNAM, José Ignacio Jiménez habló de “la doma de la bravía cuántica” para referirse al trabajo los dos físicos en una clara alusión a la obra de Shakespeare "La fierecilla domada", en la que hace una analogía entre la manipulación de las partículas que conforman nuestro universo y las amansadas almas dotadas de un carácter temperamental.

Jiménez explicó los mecanismos de funcionamiento del experimento utilizado por Haroche: la cavidad debe tener una fuente de átomos individuales, en este caso, de rubidio; además, se necesita un lugar donde se acumulen varios fotones, para lo cual se requiere una cavidad superconductora; y los átomos se deben preparar antes de que comience el experimento.

De acuerdo con Jiménez, en la cavidad es posible seleccionar los estados atómicos a través de un detector. Todo se lleva a cabo sin el menor contacto con el exterior y sin campos magnéticos. Todas estas condiciones logran que los fotones puedan vivir el tiempo suficiente (y más de lo esperado) para poder ser analizados.

Por su parte, Luis Hernández Pozos, uno de los pocos científicos mexicanos que ha trabajado en el atrapamiento de iones individuales, explicó que su tesis de doctorado se trató precisamente de aislar iones a través de cuatro electrodos. A partir de dos electrodos que repelen la partícula y otros dos que la atraen, se logra que los iones permanezcan entre los electrodos.

Hernández Pozos afirma que este principio puede ser utilizado para manipular partículas más grandes, incluso pequeñas partículas de polen.

Las partículas de polen ‘bailando’ con trampas.

Por su parte, Pablo Barberis Blostein dedicó su espacio a uno de los trabajos más destacados de Haroche titulado: "Progressive field-state collapse and quantum non-demolition photon counting", en el cual él y su equipo revelan una forma de atrapar partículas sin que éstas se destruyan antes de que puedan ser analizadas. Lo lograron a través de la medición no destructiva del número de fotones de un campo almacenado en una cavidad. Así, se puede extraer información través de las alteraciones inducidas por la luz.

También gana la computación cuántica

El trabajo de Haroche y Wineland tiene importantes implicaciones en el desarrollo de la computación cuántica, afirmó el último ponente del coloquio del IFUNAM, Carlos Pineda.

En 1995, Ignacio Cirac y Peter Zoller propusieron la creación de una computadora cuántica utilizando iones atrapados. Los bits cuánticos o qubits son codificados en muy finos niveles de iones atrapados que interactúan débilmente con el ambiente, por lo cual tienen una vida más larga.

De esta manera, dos o más iones pueden ser acoplados experimentalmente alrededor del centro de masa para ser utilizados como bits cuánticos. Wineland y su equipo fueron los primeros en acoplar dos qubits.

Parte de la razón del premio a este par de investigadores tiene que ver con la a creatividad de ambos para conseguir algo que se antojaba impensable.

"Yo usé átomos para estudiar fotones y él usó fotones para estudiar átomos" dijo Haroche cuando se enteró que su trabajo y el de Wineland habían ganado el Nobel. La frase es clara y concisa, y sintetiza investigaciones que se remontan a muchos años antes y que hoy en día son la punta de lanza para futuras indagaciones en el ámbito de la computación.


Los investigadores en el coloquio del 18 de ocubre del 2012. Fotos: Pedro Zaldívar Sánchez.