martes, 9 de octubre de 2012

Serge Harocheand y David J. Winelandhave de forma independientemente inventaron y desarrollaron métodos innovadores para medir y manipular partículas individuales, preservando su naturaleza mecánica-cuántica, algo que se consideraba previamente inalcanzables.

Haroche y Wineland han abierto la puerta a una nueva era de experimentación en física cuántica, demostrando la observación directa de cada uno de los sistemas cuánticos sin destruirlos. A través de sus ingeniosos métodos de laboratorio se las han arreglado para medir y controlar los frágiles estados cuánticos, lo que permite desarrollar un campo de investigación que ha dado sus primeros pasos hacia la construcción de un nuevo tipo de computadora súper rápida, basado en la física cuántica. Estos métodos también han conducido a la construcción de relojes extremadamente precisos que podrían convertirse en la futura base para un nuevo estándar de tiempo, con más de cien veces mayor precisión que los actuales relojes de cesio.

Para las partículas individuales de luz o materia, las leyes de la física clásica dejan de aplicarse y toma lugar la física cuántica. Pero las partículas individuales no son fácilmente aisladas de su entorno y pierden sus misteriosas propiedades cuánticas en cuanto se relacionan con el mundo exterior. Así, muchos aparentemente extraños fenómenos predichos por la mecánica cuántica no pueden ser observados directamente, para tales casos los investigadores sólo llevan a cabo "experimentos mentales" que podría manifestarse en principio estos fenómenos extraños.

Ambos laureados trabajaron en el campo de la óptica cuántica, en el estudio de la interacción fundamental entre la luz y la materia, un ámbito que ha experimentado un progreso considerable desde mediados de 1980. Sus métodos tienen muchas cosas en común. David Wineland trabajo con trampas de átomos cargados eléctricamente, o iones, mediante el control de la medición de luz, o fotones. Serge Haroche tomo el enfoque opuesto: controlo y midió fotones atrapados, o partículas de luz, mediante el envío de átomos a través de una trampa.

El control de los iones individuales en una trampa

En el laboratorio de David Wineland en Boulder, Colorado, los átomos con carga eléctrica o iones se mantienen dentro una trampa que los rodea con campos eléctricos. Las partículas están aisladas del calor y la radiación en su entorno mediante la realización de experimentos en vacío a temperaturas extremadamente bajas. Créditos: Nobel Prize.

Uno de los secretos detrás del avance de Wineland es el dominio del arte de la utilización de rayos láser y la creación de pulsos de láser. Utiliza un láser para suprimir el movimiento térmico de iones en la trampa, poniendo el ion en su estado de energía más bajo y por lo tanto permitiendo el estudio de fenómenos cuánticos con el ion atrapado. El pulso ajustado cuidadosamente mediante el láser se puede utilizar para poner el ion en un estado de superposición, donde es simultánea la existencia de dos estados claramente diferentes. Por ejemplo, el ion se pueden preparar para ocupar dos diferentes niveles de energía simultáneamente. Comienza en un nivel de energía más bajo y el impulso de láser sólo empuja el ion a mitad de camino hacia un nivel superior de energía de modo que se deja entre los dos niveles, en una súperposición de estados de energía, con igual probabilidad de acabar en cualquiera de ellos. De esta manera un quantum con superposición de estados de energía de iones se pueden estudiar

El control de fotones individuales en una trampa


Serge Haroche y su grupo de investigación utilizan un método diferente para revelar los misterios del mundo cuántico. En el laboratorio en París fotones de microondas rebotan en el interior de una pequeña cavidad entre dos espejos, de unos tres centímetros. Los espejos están hechos de material superconductor y se enfria a una temperatura justo por encima del cero absoluto. Estos espejos superconductores son los más brillantes del mundo. Son tan reflexivo que un solo fotón puede rebotar hacia atrás y adelante dentro de la cavidad en una casi décima de segundo antes de que se pierda o se absorban. Este registro de duración de por vida significa que el fotón han viajado 40,000 kilometros, lo que equivale a cerca de un viaje alrededor de la Tierra.

Durante su tiempo de vida largo, muchas manipulaciones cuántica se puede realizar con el fotón atrapado. Haroche utiliza átomos especialmente preparados, los llamados átomos de Rydberg (en honor al físico sueco Johannes Rydberg) para controlar y medir el fotón de microondas en la cavidad.

Un átomo de Rydberg tiene un radio de unos 125 nanómetros, que es aproximadamente 1,000 veces más grandes que los átomos normales. Estos gigantescos átomos de Rydberg en forma de rosquilla se envían en la cavidad uno por uno a una velocidad cuidadosamente elegida, de manera que la interacción con el fotón de microondas se produce de una manera bien controlada. Los átomos de Rydberg atraviesan y sale de la cavidad, dejando a los fotones de microondas atrás. Pero la interacción entre el fotón y el átomo crea un cambio en la fase de estado cuántico del átomo: si se piensa en el estado cuántico del átomo como una onda, las crestas y las caídas de la onda han cambiado. Este desplazamiento de fase se pueden medir empleando las salidas de átomos de la cavidad, revelando de ese modo la presencia o ausencia de un fotón en el interior de la cavidad. Sin ningún fotón no hay desplazamiento de fase. Haroche por lo tanto se puede medir un solo fotón sin destruirlo.

Con un método similar Haroche y su grupo pueden contar los fotones en el interior de la cavidad, como un niño cuenta las canicas en una botella. Esto puede sonar fácil, pero requiere destreza y habilidad extraordinaria porque fotones, a diferencia de las canicas ordinarias, son destruidos inmediatamente por el contacto con el mundo exterior.

A partir de sus métodos de conteo de fotones, Haroche y colaboradores idearon métodos para seguir la evolución de un estado individual cuántico, paso a paso, en tiempo real.
En el laboratorio de Serge Haroche en París, en vacío y a una temperatura de cero absoluto, fotones
rebotan en el interior de una pequeña cavidad entre dos espejos. Los espejos son tan reflexivo que un solo fotón permanece por más de un décimo de un segundo antes de que se pierda. Durante su tiempo de vida, muchas manipulaciones cuánticas se puede realizar con el atrapado fotón sin destruirlo.

Las paradojas de la mecánica cuántica


La mecánica cuántica describe un mundo microscópico invisible a simple vista, donde se producen eventos contrarios a nuestras expectativas y experiencias con los fenómenos físicos en el mundo macroscópico clásico. La física en el mundo cuántico tiene cierta incertidumbre o aleatoriedad inherente a la misma. Un ejemplo de este comportamiento contrario es la superposición, donde una partícula cuántica puede estar en varios estados diferentes simultáneamente. Nosotros no solemos pensar en un mármol que puede estar a la vez "aquí" y "allá" al mismo tiempo, pero tal es el caso del mármol en un estado cuántica. El estado de superposición de este mármol nos dice exactamente la probabilidad del mármol para estar aquí o allá, si tuviéramos que medir exactamente dónde está.

¿Por qué nunca nos damos cuenta de estos aspectos extraños de nuestro mundo? ¿Por qué no podemos observar una superposición de mármol cuántico en nuestra vida cotidiana? El físico austriaco y Premio Nobel (Física 1933) Erwin Schrödinger lucho con esta pregunta. Al igual que muchos otros pioneros teóricos de la física cuántica, se esforzó por comprender e interpretar sus implicaciones. Todavía en 1952, escribió: "Nunca experimento sólo con un electrón, átomo o molécula (pequeña). En los experimentos mentales donde a veces asumo lo que hacemos, invariablemente tiene consecuencias ridículas...". Con el fin de ilustrar las consecuencias absurdas de moverse entre el micro-mundo de la física cuántica y a nuestro macro-mundo, Schrödinger describió un experimento con un gato: el Gato de Schrödinger que está completamente aislado del mundo exterior, en el interior de una caja. La caja también contiene una botella letal de cianuro que es liberado sólo después de la decadencia de algún átomo radioactivo, también en el interior de la caja.

La desintegración radiactiva se regirá por las leyes de la mecánica cuántica, de acuerdo con el cual el material radiactivo está en un estado de superposición al tener tanto un estado de descomposición y otro no deteriorado todavía. Por tanto, el gato también debe estar en un estado de superposición estar a la vez vivo y muerto. Ahora, si usted mirar dentro de la caja, se corre el riesgo de matar al gato debido a que la superposición cuántica es tan sensible a la interacción con el medio ambiente que el más mínimo intento de observar el gato inmediatamente "colapsa" del "estado-gato" a uno de los dos resultados posibles -vivo o muerto-. Este experimento mental de Schrödinger condujo a una conclusión absurda, y se dice que más tarde trató de disculparse por la adición a la confusión cuántica.

Ambos premios Nobel de 2012 han sido capaces de una observación sobre el estado del gato cuántico en el mundo exterior. Han ideado experimentos creativos y lograron mostrar detalles cómo la acción de medir realmente el estado cuántico sin que colapse y pierda su carácter de superposición. En vez de gato de Schrödinger, Haroche y Wineland atraparon las partículas cuánticas y las pusieron en gatunos estados de superposición. Estos objetos cuánticos no son realmente macroscópicos como un gato, pero siguen siendo bastante grandes para los estándares cuánticos.

Haroche estudió fotones dentro de cavidades de microondas similar a poner en un estado con fases opuestas al mismo tiempo, como un cronómetro con una aguja que gira en ambos sentidos al mismo tiempo. El campo de microondas dentro de la cavidad sirvió luego para probar con átomos de Rydberg. El resultado es otro ininteligible efecto cuántico llamado ambiente entrelazado. El entrelazamiento había sido descrito también por Erwin Schrödinger y se puede producir entre dos o partículas más cuánticos que no tienen ningún contacto directo, pero pueden leer y modificar las propiedades de cada uno aunque no estén en el mismo espacio. El entrelazamiento del campo de microondas y átomos de Rydberg permito a Haroche mapear la vida y muerte del Estado como un gato dentro de su cavidad, siguiendo paso a paso, átomo por átomo, ya que se sometió a una transición de la superposición cuántica de los estados a un estado bien definido de la física clásica.

Al borde de una revolución de la computadora nueva


Una posible aplicación de trampas de iones y el sueño de muchos científicos es la computadora cuántica. Las actuales computadoras tienen como unidad más pequeña de información el bit que toma el valor de 1 ó 0. En una computadora cuántica, la unidad básica de información es el un bit cuántico o qubit, que puede ser 1 y 0 al mismo tiempo. Dos bits cuánticos pueden tomar simultáneamente cuatro valores -00, 01, 10 y 11- y cada qubit adicional duplica la cantidad de estados posibles. Para n bits cuánticos hay 2 n posibles estados, y un ordenador cuántico de sólo 300 qubits podría contener 2(300) valores simultáneamente, más de el número de átomos en el universo.

En 1935 el físico austríaco y Premio Nobel Erwin Schrödinger describió un experimento mental
con un gato en una caja con el fin de ilustrar las consecuencias absurdas de moverse entre el micro-mundo de la física cuántica y nuestro macro-mundo. En un sistema cuántico, partículas, átomos y otras cosas del mundo micro, pueden estar en dos estados a la vez, a lo que los físicos llaman una superposición de estados. En el experimento mental del gato de Schrödinger la caja se encuentra en una superposición, y por lo tanto el gato esta tanto muerto como vivo. Ahora, si usted mira dentro de la caja, corre el riesgo de matar al gato, porque la superposición cuántica es tan sensible a la interacción con el medio ambiente que el más mínimo intento de observar el gato de inmediato "colapsa" el "estado-gato" a uno de los dos resultados posibles -vivo o muerto-. Créditos: Nobel Prize.

El grupo de Wineland fue el primero en el mundo en demostrar el funcionamiento cuántico con dos bits cuánticos. Dado que las operaciones de control ya se han alcanzado con pocos qubits, no hay ninguna razón para creer que no debería ser posible alcanzar tales operaciones con muchos más qubits.

Sin embargo, construir un ordenador cuántico es un enorme desafío práctico. Uno tiene que satisfacer dos exigencias opuestas: los qubits deben estar debidamente aislados de su entorno para no destruir sus propiedades cuánticas, sin embargo, también debe ser capaz de comunicarse con el mundo exterior con el fin de transmitir los resultados de sus cálculos. Tal vez la computadora cuántica se construirá en este siglo. Si es así, va a cambiar nuestras vidas de manera radical como fue la computadora clásica cuando transformó la vida en el siglo pasado.

Nuevos relojes


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 basados en cesio que son actualmente el estándar para la medición de nuestro tiempo. El tiempo se mantiene mediante el establecimiento o la sincronización de todos los relojes basados en un estándar. Relojes de cesio operan
en el rango de microondas mientras que los relojes de iones de Wineland utilizan la luz visible -de ahí su nombre: relojes ópticos-. Un reloj óptico puede constar de un solo ion o dos iones en una trampa. Con dos iones, uno se utiliza como el reloj y el otro se utiliza para leer el reloj sin destruir su estado. La precisión de un reloj óptico es mejor que una parte en 10 de 17, lo que significa que si se hubiera empezado a medir el tiempo en el comienzo del universo en el Big Bang hace 14 mil millones años atrás, el reloj óptico sólo hubiera estado desfasado por unos cinco segundos en la actualidad.

Con dicha medición precisa del tiempo, algunos fenómenos muy sutiles y hermosos de la naturaleza que se pueden observar, tales como cambios en el flujo del tiempo, o variaciones de la gravedad, la tela de espacio-tiempo. Según la teoría de Einstein de la relatividad, el tiempo se ve afectado por el movimiento y la gravedad. Mientras la velocidad sea mayor y más fuerte sea la gravedad, es más lento el paso del tiempo. Puede que no seamos conscientes de estos efectos, pero se han convertido de hecho en parte de nuestra vida cotidiana. Cuando navegamos con el GPS contamos con señales de tiempo de los satélites con relojes son rutinariamente calibradas, porque la gravedad es algo más débil a varios cientos de kilómetros de altura en el cielo. Con un reloj óptico es posible medir una diferencia en el paso del tiempo cuando la velocidad de los relojes cambió en menos de 10 metros por segundo, o cuando la gravedad se altera como consecuencia de una diferencia en altura de sólo 30 centímetros.

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