9 octubre 2012
Premio Nobel de Física 2012: Serge Haroche y David J. Wineland por sus trabajos en óptica cuántica
Muchas quinielas apuntaban a un premio Nobel de Física en el campo de la mecánica cuántica, quizás relacionado con la computación cuántica; al final se ha llevado el gato al agua la óptica cuántica, la interacción entre luz y materia a nivel cuántico, que tiene algunas aplicaciones en computadores cuánticos. La Academia Sueca ha decidido premiar a dos físicos que han desarrollado técnicas experimentales para la manipulación de sistemas cuánticos formados por una sola partícula, en concreto, al estadounidense David J. Wineland (Univ. Colorado) por sus trampas para átomos e iones, midiendo su estado cuántico con fotones, y al francés Serge Horache (Ecole Normale Supérieure) por sus trampas para fotones, midiendo su estado cuántico mediante átomos. Ambas técnicas son claves para el desarrollo de cubits cuánticos y con ellos de los futuros ordenadores cuánticos; en la actualidad sus aplicaciones se centran en el desarrollo de relojes de alta precisión como los utilizados en el NIST (donde también está afiliado Wineland). Nota de prensa, información para el público general [pdf], información más técnica y anuncio oficial.
La mecánica cuántica describe el comportamiento individual de átomos y fotones, pero comprobar sus predicciones requiere estudiar estos sistemas en forma aislada sin que les perturbe el entorno. El Premio Nobel de Fïsica de 1997 fue concedido a Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji y William D. Phillips por desarrollar las técnicas criogénicas que permitieron atrapar átomos individuales mediante luz láser, y el Nobel de Física de 1989 fue para Norman F. Ramsey, Hans G. Dehmelt y Wolfgang Paul por la aplicación a los relojes atómicos (el primero) de las técnicas de trampas de iones desarrolladas por los otros dos. Obviamente, el siguiente paso era desarrollar técnicas para la medida y la caracterización de las propiedades cuánticas de estos sistemas. El Premio Nobel de Física de 2012 ha premiado a dos pioneros en el desarrollo de dichas técnicas para la caracterización mediante fotones de las propiedades de iones atrapados y para la caracterización mediante iones de fotones atrapados en una cavidad.
Wineland trabajó con Dehmelt en 1975 para aprender las técnicas para atrapar iones y realizó los primeros experimentos que le han llevado al Nobel en 1978. Los iones son atrapados mediante campos eléctricos estáticos y oscilatorios en una cavidad de ultravacío. Estas tampas de iones pueden atrapar un ión individual o varios puestos en fila india. A muy baja temperatura los iones tienen estados cuánticos de dos tipos, los externos son los modos de vibración que caracterizan su movimiento en la trampa, y los internos son los niveles electrónicos de sus electrones. Utilizando fotones se puede lograr que ambos tipos de modos se acoplen, como demostraron varios grupos de investigación, entre ellos el de Wineland (1986). Las técnicas desarrolladas por Wineland (y por muchos otros) permiten controlar de forma individual los estados externos e internos de los iones atrapados. En especial destaca la posibilidad de entrelazar varios iones atrapados, con gran número de aplicaciones en computación cuántica. En mi opinión, lo más interesante de las técnicas experimentales de Wineland es que permiten estudiar la decoherencia cuántica y medir sus efectos sobre un sistema con varios cubits entrelazados.
Atrapar fotones en cavidades para estudiar sus propiedades cuánticas fue posible a finales de los 1980. Muchos grupos de investigación trabajaron en este campo (llamado a veces electrodinámica cuántica en cavidades, Cavity-QED, que tiene múltiples aplicaciones en óptica cuántica e información cuántica), destacando el trabajo de Haroche que logró atrapar dos fotones en el dominio de las microondas, lo que permitía estudiar su entrelazamiento mutuo. Poder medir las propiedades cuánticas de estos fotones sin destruir su estado (quantum non-demolition measurement) mediante iones ha sido la gran aportación de Haroche en 1990 que le ha conducido al Nobel. Para ello se acoplan los estados del fotón con los estados de vibración de un ión (o átomo) que atraviesa la cavidad. El gato cuántico de Schrödinger no podía faltar. El trabajo de Haroche y Wineland permite desarrollar experimentos de tipo gato de Schrödinger utilizando fotones e iones que hacen el papel del gato. Desde 1996 se han realizado múltiples experimentos de este tipo que han copado titulares de prensa por doquier.
La gran pregunta en España es si el premio a Wineland dificulta un premio a Cirac y Zöller. Los tres obtuvieron la Medalla Benjamín Franklin en 2010, premio concedido por el Instituto Franklin, Filadelfia, EEUU. Las técnicas de Wineland han permitido llevar a la práctica las propuestas teóricas de Cirac y Zöller (1995) para el desarrollo de computadores cuánticos basados en iones atrapados. Los cubits (bits cuánticos) se almacenan en la estructura hiperfina de los niveles de energía de los iones. Wineland y sus colegas fueron capaces de construir una puerta lógica CNOT (no-controlado) utilizando iones de berilio en 1995 siguiendo las ideas de Cirac y Zöller. Sin embargo, en mi opinión, Cirac tiene las mismas posibilidades de lograr el Nobel ayer que hoy. El problema de Cirac vendrá cuando vayan a darle un Nobel a Zeilienger y/o a Zöller. Depende de la combinación de nombres que se barajen, Cirac estará entre los premiados o se quedará a un pelo de serlo. Obviamente, es solo mi opinión.
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