Construyen máquina cuántica

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En la UNAM se da un paso más en el desarrollo de la física moderna con la construcción de una máquina cuántica para el nuevo Laboratorio de Átomos Fríos y Óptica Cuántica del Instituto de Física (IF). Este aparato producirá fotones (paquetes de luz) correlacionados cuánticamente, conocidos también como fotones gemelos. Se trata de una luz muy particular dado que, además de presentar correlaciones cuánticas, tiene la capacidad de interaccionar con átomos fríos, otras partículas cuánticas que pueden producirse en laboratorio.

“Toda la materia es cuántica, pero no nos damos cuenta de ello porque se sale de nuestra intuición diaria. Para percatarnos de su aspecto cuántico, la materia tiene que estar a muy bajas temperaturas. Sólo así podemos manipular con precisión los átomos y moléculas. En la escala absoluta, la temperatura más baja del universo es de 1 Kelvin (-272 grados Celsius o centígrados), en la nebulosa Boomerang; en los laboratorios somos capaces de lograr temperaturas 10 millones de veces más bajas”, dice Daniel Sahagún Sánchez, investigador del IF y responsable del mencionado laboratorio.

Antaño únicamente se podían hacer cálculos de mecánica cuántica sobre el papel. A partir de la década de los años 60 del siglo pasado, el entendimiento cuántico de la luz avanzó mucho con la invención del rayo láser. Desde hace un par de décadas es posible realizar experimentos con átomos sobre esa teoría fundamental. Ahora se busca en el IF algo que aún no se ha podido lograr: la interacción eficiente de luz cuántica con materia fría.

Con ese fin, Sahagún Sánchez usará una trampa de átomos fríos de rubidio como elemento activo para producir fotones correlacionados cuánticamente.

Fenómeno cuántico

Los fotones correlacionados cuánticamente también son conocidos como fotones gemelos, en analogía a dos mellizos de la misma especie (humana, por ejemplo), ya que, aunque se envíen dos de ellos en direcciones opuestas, uno “siente” lo que le pasa al otro, incluso a kilómetros de distancia. Este fenómeno cuántico fue bautizado por Einstein como acción fantasmagórica a distancia y ha sido estudiado extensivamente en la luz, pero no en la materia.

Para facilitar el estudio de la acción fantasmagórica a distancia en la materia, se diseñarán en el IF los pulsos de la luz con las características que optimicen su interacción con los átomos; por ejemplo, con un color adecuado.

“En esto nos ayuda que el rubidio produce luz en el infrarrojo que le gusta a otros átomos de rubidio. Un ente clásico absorbe casi todos los colores. En cambio, un ente cuántico solamente absorbería ciertos colores. Si nuestra camisa fuera de rubidio, absorbería casi toda la luz en el infrarrojo. ¿Cuánto deberá durar el pulso? Esto va a depender de lo bien que controlemos nuestro experimento. Si somos suficientemente finos en el control de la luz que le aventemos, el átomo, solito, va a diseñar su pulso al decaer”, explica Sahagún Sánchez.

Aplicaciones

Con las fuentes de fotones gemelos se han abierto distintas líneas de investigación, como la que apunta a las memorias cuánticas.

“Para almacenar información en los átomos, se les excita a un estado meta-estable con fotones de un color; para leer la información escrita, se estimula la emisión con fotones de otro color. Varios laboratorios en el mundo ya están desarrollando ese tipo de memorias”, agrega el investigador de la Universidad Nacional.

En los interferómetros (instrumentos que emplean la interferencia de dos brazos de luz que van por distintos caminos para medir con gran precisión campos electromagnéticos o gravitacionales muy sutiles; de esta manera se puede buscar petróleo y explorar la actividad volcánica, entre otras cosas), la redundancia de información que generan los fotones gemelos ayuda a tener una mejor señal.

“Con luz cuántica, en lugar de luz clásica, se pueden hacer interferómetros más poderosos con aplicaciones en nuestra vida diaria (para mejorar las telecomunicaciones, por ejemplo); asimismo se puede estudiar el estado de otros cuerpos cuánticos (a esto se le llama tomografía cuántica). Una vez que esté en funcionamiento la máquina cuántica que se construye en el IF, escogeremos la dirección de una investigación más interesante y menos explorada”, asegura Sahagún Sánchez.

Masa crítica de laboratorios

La máquina cuántica del IF será parte del recién fundado Laboratorio Nacional de Materia Cuántica (CONACyT), al cual también pertenecen otros laboratorios de la UNAM (de los institutos de Física y de Ciencias Nucleares), del Centro Nacional de Metrología y de la Universidad de San Luis Potosí. Con esta red de laboratorios se abre en México la posibilidad de producir tecnología con bases cuánticas.

“Estamos creando una masa crítica de laboratorios que nos permitirá cooperar y compartir equipos con otros científicos, así como formar gente que eventualmente podrá desarrollar tecnología propia para la solución de problemas locales. Si no queremos seguir siendo un país al que le vendan espejitos toda la vida, necesitamos desarrollar primero nuestra ciencia básica, luego tecnología básica (en este caso cuántica) y después tecnología aplicada”, apunta el investigador.

La mecánica cuántica es una de las teorías fundamentales que han permeado más en la economía mundial. Gracias a ella, los relojes atómicos instalados en satélites y terminales que coordinan Internet han ganado en precisión y, por lo tanto, han hecho posible llevar a cabo miles de transacciones bancarias en el mundo (3 mil cada segundo por sistema).