Premio Nobel de Física 2012 para el control de las partículas en el mundo cuántico

Serge Haroche y David J. Wineland han desarrollado de manera independiente en sus respectivos laboratorios de París y Boulder en Colorado, “trampas” para medir y manipular partículas respetando su naturaleza cuántica. Dichos descubrimientos han sido reconocidos con el premio Nobel de Física 2012, porque, según declara la Real Academia Sueca de Ciencia, “han abierto la puerta a una nueva era de experimentaciones con la física cuántica demostrando la observación directa de partículas cuánticas individuales sin destruirlas”.

Para comprender la trascendencia de sus hallazgos es conveniente  tener claro la distinción entre la física clásica y la física cuántica. El mundo que nos rodea está regido por las leyes de la física clásica formuladas por primera vez  por Isaac Newton. A principios del siglo XX,  los científicos comenzaron a observar efectos que la física clásica no podía explicar: había un mundo por debajo del clásico compuesto por  partículas como por ejemplo átomos, protones, neutrones y quarks que no seguía las leyes de Newton. “La física cuántica es la ley fundamental de la ciencia, y de ella emerge la física clásica”, afirma Juan Jesús Ruiz-Lorenzo, profesor titular de Física Teórica de la Universidad de Extremadura. Las leyes de la física clásica no se aplican a las partículas individuales de luz (fotones) o la materia, la física cuántica toma aquí el relevo y explica el comportamiento, por ejemplo, de átomos aislados. El problema es que las partículas no pueden “desconectarse” fácilmente del medio que las rodea y pierden sus propiedades cuánticas en cuanto interaccionan con el mundo exterior. La mecánica cuántica describe el mundo microscópico, donde los acontecimientos no son previsibles y suceden de manera diferente a nuestra experiencia con el mundo clásico macroscópico. “Una cuestión fundamental para los físicos es conocer cómo sucede el paso de un comportamiento cuántico a uno clásico, este último caracterizado por la gran interacción entre los átomos y su entorno”, apunta el profesor de la UEx.

Tanto Wineland como Haroche trabajan en el campo de la óptica cuántica mediante el estudio de la interacción entre luz y la materia. Sus métodos tienen mucho en común. Las trampas diseñadas por los investigadores, son “cajas” que aíslan la partícula para observar su comportamiento cuántico. David Wineland ha desarrollado una trampa de iones, que atrapa átomos cargados utilizando haces laser para estudiarlos.  Gracias al vacío casi total de la trampa, el ión no interacciona con otros átomos, y  es posible observar la cuantización tanto de sus niveles internos de energía como de su movimiento. Serge Haroche, por su parte, controla y mide fotones, cuantos de luz, mediante el envío de átomos  a través de la trampa.

Una de las aplicaciones más llamativas de la trampa de iones es la computación cuántica. Los ordenadores actuales realizan operaciones siguiendo una lógica secuencial, los dispositivos cuánticos pueden realizar operaciones en paralelo, explica Ruiz-Lorenzo. En los ordenadores “clásicos” el bit de información toma el valor de 1 ó 0, mientras que en un ordenador cuántico, el bit cuántico (qubit) de información puede ser 1 y 0 al mismo tiempo. Una aplicación más inmediata sería, como apunta el profesor de la UEx, defensa y seguridad. En la actualidad las informaciones confidenciales en la web van encriptadas, codificadas, con programas que usan la  factorización de un numero grande en dos números primos. Factorizar en un ordenador es un proceso muy largo en el tiempo,  este proceso en un  ordenador cuántico es mucho más fácil. Sin embargo, construir un ordenador cuántico supone un gran reto práctico. Por un lado, hay que preservar sus propiedades cuánticas y debe poder comunicar con el mundo exterior para transferir los resultados de sus cálculos. “Quizás el ordenador cuántico se construya en este siglo. Si es así, cambiará nuestras vidas del mismo modo que los ordenadores clásicos transformaron nuestras vidas en el siglo pasado”, declara la academia sueca.

David Wineland ha utilizado también la trampa de iones para construir un reloj óptico 100 veces más preciso que los relojes atómicos de cesio. Así por ejemplo, si el reloj hubiera comenzado a medir el tiempo al principio del universo en el “big bang”, hace 13.800 millones de años, el reloj óptico sólo se habría adelantado o retrasado hoy no más de 4 segundos.

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