Primeras máquinas cuánticas

publicado en la revista «nexos»
# 387, marzo de 2010

 

Imagine minúsculas máquinas capaces de estar en dos sitios a la vez contra todo Aristóteles y su concepción de materia, que realicen el literalmente menor movimiento posible (uno con la menor cantidad de energía posible en el universo). Deberán ser artilugios vaciados de todo bit de energía y que aún así se muevan a causa del “punto-cero” de la energía que llena el espacio. El punto-cero de la energía… no es cero.

Para poder seguir, debemos recordar un par de cosas: la menor cantidad de energía posible, el verdadero átomo, es el quantum de energía propuesto por Planck en 1900. Pero en las siguientes décadas los físicos debieron pensar en unidades indivisibles también de tiempo y de espacio. Si la energía no puede subdividirse eternamente, pues nos detiene el quantum de energía, tampoco el espacio ni el tiempo son divisibles de manera continua. La menor longitud, o longitud de Planck, es una fracción de centímetro que se escribe con un punto, 32 ceros y un 1. Es tan minúscula que, para dar una idea, si inflamos un átomo al tamaño de todo el universo, la longitud de Planck habrá crecido al tamaño de un árbol.

Ahora viene lo bueno: el principio de incertidumbre de Heisenberg predice, para distancias subatómicas en la longitud de Planck, un vacío viviente en el que pares de partículas y sus antipartículas (materia y antimateria) brotan de la nada a la existencia y regresan a la nada sin más causa que las fluctuaciones de incertidumbre en el vacío mismo. Estos pares de partículas virtuales toman su existencia en préstamo y la devuelven tan rápido que no pagan el boleto de entrada, digamos. Es un aspecto comprobado de la cuántica que modifica toda un área de la filosofía: la ontología o estudio del ser. El ser y la nada van al ritmo del principio de incertidumbre y los dirige la ecuación de onda de Schrödinger.

El movimiento de la nada

Ese movimiento de la nada es el menor movimiento posible y, dicho sea de paso, es lo que ha impedido por ya 100 años unificar la física cuántica con la teoría de la relatividad. Con una imagen sintética, se le ha llamado espuma cuántica. Pero ésa es otra historia.

Esta coreografía de la nada, propuesta por las ecuaciones, fue comprobada por Steven Lamoreaux, del Laboratorio Nacional Los Álamos. Bueno, pues a “eso” es a lo que llamamos energía de punto-cero (zero-point energy) que los físicos prefirieron ignorar por décadas pues su manejo (no sólo tener que imaginar eso) matemático es aterrador.

También por el principio de incertidumbre un objeto jamás permanece en quietud absoluta. Aun en su estado de reposo, posee al menos un medio quantum de energía y tiembla con movimiento de punto-cero. El reto es aquietar un artefacto cualquiera hasta donde presente ese mínimo temblor. Para alcanzar ese estado de reposo en, digamos, un aparato que oscile, los físicos deben extraer toda su energía, con excepción del último medio quantum irrecuperable. Para eso debe reducirse la temperatura, y por ende la energía, del oscilador casi hasta el cero absoluto.

Regresando a la realidad, el equipo de Tobías Kippenberg, del Swiss Federal Institute of Technology, en Lausana, Suiza, y otros grupos de investigadores ya han entrado a este reino del menor movimiento posible. Es la línea base del movimiento y se han acercado lo suficiente para que Kippenberg pronostique: “Espero que durante el próximo año habrá quizá media docena de grupos observando eso”: artefactos en su menor unidad de movimiento.

Si así ocurre, habrá llegado la era de las máquinas cuánticas. Por lo pronto, en el medio año pasado, cuatro diferentes grupos se han acercado a esa meta haciendo osciladores con sólo unas pocas docenas de quanta (plural de quantum).

Los límites de la realidad

Todavía falta por ver para qué sirvan las máquinas cuánticas. Podrían unir varias tecnologías, borrar los límites entre electrónica, óptica y mecánica, desarrollar artefactos que fuercen la luz a estados singulares o traduzcan a señales electrónicas información codificada en estados cuánticos de fotones. Hasta podrían sondear las profundidades de un misterio: ¿por qué los objetos a escala humana no se comportan según la mecánica cuántica?

Para empezar, señala Jack Harris, de Yale, alcanzar el estado de reposo del movimiento mecánico “es el tipo de resultado que crea un nuevo campo, será abrir una puerta, y una grande”.

Oskar Painter, del Caltech, ha confeccionado un hilo de silicón de 30 micras de largo y 1.4 micras de ancho, y en el silicón produjo un patrón de agujeros en escalera. La presión de la luz (sí, la presión de la luz…) lo hace vibrar. Su equipo publicó su invención en Nature de octubre. Con ese tipo de estructura se podrían convertir señales ópticas a micro-ondas y viceversa, dice Painter.

A diferencia del comportamiento de la materia en el mundo subatómico, en el “clásico”, regido por la sensatez de Newton, no andan las cosas ni la gente mostrándose en dos lugares al mismo tiempo, ni siendo y no siendo a la vez, como pueden las máquinas cuánticas. “Los sistemas se comportan ya sea según la mecánica cuántica o la clásica”, dice Nergis Mavalvala, astrofísico del Massachusetts Institute of Technology en Cambridge (el célebre MIT). “¿No habrá algo lóbrego en medio? No conozco a nadie que tenga respuesta para esto”.

Algunos físicos piensan que objetos grandes podrían ponerse en esta superposición de estados cuántica, por la que estarían en dos lugares a la vez, siempre y cuando pudieran protegerse de toda vibración, radiación o influencia del ambiente que, si penetrara el escudo, haría “colapsar” el objeto en una sola locación. Otros señalan que son factores aún desconocidos los que evitan que nuestro mundo se comporte de forma cuántica, si bien está constituido por unidades cuánticas.

Para poner a prueba esas ideas nada mejor que un experimento. Con la tecnología actual parece lejos de realizarse. Pero los físicos están de manera sorprendente muy cercanos a poner un oscilador en estado de reposo o energía de punto-cero: Mavalvala y sus colegas enfriaron cuatro espejos de 10.8 kilos a menos de 100 mil quanta. Con dos enfrentados a cuatro kilómetros de distancia y los otros dos en línea perpendicular a los primeros y rayos láser crearon el Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) en Hanford, estado de Washington, diseñado para detectar arrugas en el espacio-tiempo… Va de nuevo: diseñado para detectar arrugas en el espacio-tiempo…

El equipo del MIT anda cerca de la energía de punto-cero o línea base del movimiento. A dónde nos conduzcan las máquinas cuánticas es ahora imposible de imaginar. Pero algo nuevo y feroz está por sacudirnos, dice la nota de Adrian Cho en Science del 29 de enero.

 

la talacha fue realizada por: eltemibledani
 

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