El premio Nobel de Física y su paso por Buenos Aires

Serge Haroche, uno de los ganadores del Premio Nobel de Física 2012, estuvo en Buenos Aires el 23 de agosto de 2010, invitado por la Fundación Bunge y Born para participar en el seminario "Presente y Futuro de la Física Cuántica", realizado con motivo de la entrega de su prestigiosa distinción al físico argentino Juan Pablo Paz.

Nora Bär, editora de Ciencia y Salud de La Nación, le realizó una extensa entrevista que reproducimos a continuación.

"La mayoría de las tecnologías que definen nuestra civilización actual vienen de la física cuántica"

Nacido en 1944, en Casablanca, Serge Haroche es uno de los protagonistas más destacados del escenario de la investigación en computación cuántica. Profesor del Collège de France y ganador el año último del premio científico más importante de Francia, la Medalla de Oro que otorga el Centre National de Recherche Scientifique (el CNRS, algo así como el Conicet francés), Haroche es reconocido como un investigador sobresaliente, capaz de concretar algunos de los más complejos experimentos imaginados por los descubridores de la física cuántica para observar las peculiaridades del universo de lo infinitamente pequeño, el zoológico subatómico.

Hijo de un abogado y una maestra, Haroche fue uno de esos científicos precoces que se sienten atraídos hacia los grandes misterios del mundo natural desde la adolescencia. Formado en la Ecole Normale Supérieur, instituto de élite al que ingresan apenas unos cien alumnos por año, se sentía atraído tanto por la matemática como por la física. "Finalmente, me incliné por la última, porque la matemática era demasiado abstracta para mí –confiesa–. La física me pareció un tema atractivo. Tratar de entender cómo se comporta la naturaleza y los asombrosos fenómenos que pueden expresarse en términos matemáticos... La física cuántica es un campo en el que ambas tienen un gran protagonismo. De modo que pude hacer matemática y física al mismo tiempo."

Fueron sus maestros los que instilaron en Haroche este interés. "Eran personas que nos hacían sentir el gusto por lo que estaban haciendo –cuenta–. De hecho, en la escuela de graduados de la Ecole Normale había profesores realmente fantásticos. Uno fue Alfred Kastler, que descubrió el bombeo óptico en los años 50 [y recibió el Nobel una década más tarde]. Ya era bastante mayor, pero daba unas clases maravillosas sobre los átomos y sus interacciones con la luz. Uno de sus jóvenes estudiantes era Claude Cohen [ganador del Nobel en 1997 por sus desarrollos para enfriar y atrapar átomos con luz láser], que también daba clases fenomenales.

Además teníamos como profesor a Pierre-Gilles De Gennes [otro Nobel, en 1991] que estaba trabajando en materia condensada. De modo que la cuestión era elegir si uno se iba a dedicar a la materia condensada o a una física más básica, a la teoría cuántica. Yo me sentí más orientado a lo de Cohen que a los temas de Gilles De Gennes: éste era más intuitivo y menos preciso; Cohen era más pedagógico. Comencé a trabajar con él, que era al mismo tiempo teórico y experimental. Encontramos una nueva forma de estudiar la interacción de la luz con la materia y nos dio la idea de buscar nuevos fenómenos que estaban escondidos en el antiguo formalismo. Fue un momento muy interesante y de gran entusiasmo en mi vida."

Tras finalizar su trabajo de tesis, Haroche decidió explorar otras formas de investigar. Viajó a los Estados Unidos a trabajar con Arthur Schawlow, uno de los inventores del láser (Nobel 1981), en la Universidad de Stanford. De regreso en París, siguió desarrollando algunas de las líneas que había iniciado en la universidad norteamericana.

–¿Es posible explicar en términos simples de qué se trata su trabajo?

–Investigo en un campo que se llama óptica cuántica. Se refiere a la interacción entre la luz y la materia, y estudia cómo la materia emite y absorbe luz, y cómo esto puede utilizarse para aplicaciones prácticas. La materia que emite luz está hecha de átomos, y la luz está compuesta de partículas que llamamos fotones. De modo que la óptica cuántica se ocupa de cómo los átomos interactúan con los fotones. Y las leyes que obedece este proceso no son las de la física clásica, sino las de la física cuántica. La dificultad aparece cuando uno tiene que explicar de qué se trata esta última...

–Va en contra de nuestra intuición...

–Así es. Se gestó a comienzos del siglo XX cuando los científicos se dieron cuenta de que para entender cómo interactúan la materia y la luz había que dejar de lado las ideas aceptadas hasta ese momento. Así fue como Planck y Einstein descubrieron que la forma en que los átomos intercambian energía con la luz es incompatible con las leyes intuitivas de la física clásica. Tuvieron que "inventar" nuevas leyes que son muy extrañas.

Por ejemplo, en la física clásica un sistema actúa de una forma o de otra. En la física cuántica, un sistema puede seguir muchas posibilidades al mismo tiempo. Y para cada una existe lo que llamamos una "amplitud" de probabilidades. Para comprobarlo, basta con hacer un experimento muy simple en el que un átomo o un fotón tiene que cruzar una pantalla con dos agujeros. En la física clásica, tendrían que atravesar uno u otro agujero. En la cuántica, el átomo o el fotón pueden atravesar la pantalla a través de ambos agujeros simultáneamente, y no hay forma de saber si pasarán por uno o por el otro. Y si uno trata de descubrirlo, puede hacerlo, pero durante el experimento destruirá todas esas misteriosas interferencias cuánticas.

La forma en que los átomos interactúan con los fotones obedece a estas leyes asombrosas. Los fotones pueden ser absorbidos de diferentes maneras por el átomo, y todas ellas pueden ocurrir al mismo tiempo y dan lugar a fenómenos de interferencia.

Esto se sabe desde los años veinte del siglo pasado, pero entonces era imposible observarlo de forma sencilla, porque la tecnología no era suficientemente avanzada. Pero los desarrollos de fines del siglo pasado nos permitieron manipular sistemas sencillos de átomos y fotones, aislados de su entorno, y pudimos demostrar este extraño comportamiento en el nivel atómico y fotónico. De eso se trata la moderna óptica cuántica.

–¿Cómo se estudian estos fenómenos en el laboratorio?

–Trabajamos en un campo que se llama "electrodinámica cuántica en cavidades", un nombre bastante abstruso, pero que designa una idea sencilla: la cavidad es una caja, que en nuestro caso es de metal, y allí atrapamos fotones. Podemos confinar la luz en esa caja y mantenerla en ella un tiempo suficientemente largo como para observarla. Así que atrapamos luz en la caja, enviamos átomos a través de ella de a uno por vez y vemos de qué forma interactúan.

–Los detectan, pero no pueden verlos realmente... ¿o sí?

–Los vemos... a través de instrumentos. Cuando digo "vemos" quiero decir que recibimos información de los aparatos. Pero hay algunos experimentos en la óptica cuántica en los que uno realmente puede ver. Por ejemplo, hoy es posible atrapar un único átomo en una trampa electromagnética, una configuración de campos eléctricos y magnéticos que mantienen el átomo en un punto bien definido del espacio, envíar un láser al átomo, que lo absorbe y disemina fotones, y ver un único átomo como un punto brillante, incluso a simple vista.

–¿Qué tipo de átomos emplean?

–En nuestro caso, de un solo electrón, de un metal alcalino llamado "rubidio". Los fotones que estamos estudiando ahora no son visibles: son fotones de microondas. Nos concentramos en transiciones que no son visibles, pero que podemos estudiar utilizando instrumentos muy complejos. Podemos "observar" lo que se conoce como "saltos cuánticos": ocurren cuando un átomo emite o absorbe un fotón, y salta entre dos niveles de energía. Estos saltos cuánticos habían sido previstos por la teoría, pero nosotros los observamos por primera vez como un amplio cambio en la energía de la luz atrapada en la cavidad.

–¿Además de develar los extraños comportamientos del mundo subatómico, vislumbran que estas investigaciones tendrán una aplicación tecnológica?

–Al principio siempre es ciencia básica. Pero si somos capaces de manipular átomos y fotones de esta forma, tenemos la esperanza de que haya algunas aplicaciones. Hay dos niveles: uno ya fue alcanzado y creo que es muy importante que el público general entienda que la mayor parte de las tecnologías que definen nuestra civilización actual vienen de la física cuántica. De hecho, todo lo que se ha logrado transformando energía nuclear en electricidad fue posible por la comprensión de lo que ocurre en el interior de los átomos. Eso es física cuántica. Todo lo que sabemos de materia condensada, sólidos, metales, semiconductores, transistores, comunicaciones, computación... todo eso es física cuántica. El láser surgió de una comprensión profunda de la interacción de la luz con la materia... Los CD, los DVD, la fibra óptica... El siglo XX es el siglo de la física cuántica.

Si uno quiere entender cómo se comportan los metales o los semiconductores, necesita las leyes de la física cuántica, pero los aspectos extraños de la física cuántica están escondidos, por decirlo de algún modo. Uno no puede verlos fácilmente. Por ejemplo, si uno mira esta mesa, el hecho de que parezca sólida se basa en las leyes cuánticas, pero lo sólido es por supuesto intuitivo, porque nuestra mente ha sido desarrollada por la evolución para entender que lo sólido es algo importante. Si la piedra es dura, es mejor evitar que nos golpee. Pero para sobrevivir no necesitamos saber que un átomo puede atravesar dos agujeros al mismo tiempo...

–Una de esas aplicaciones podría ser el procesamiento cuántico de la información...

–Hemos demostrado que podemos utilizar la extraña lógica de la física cuántica, el hecho de que una puerta puede estar abierta y cerrada al mismo tiempo, y que una vez que uno lo ha observado, el sistema tiene que colapsar en una de las posiblidades. La meta última sería la computadora cuántica. Personalmente, soy escéptico de que la computadora cuántica será como ahora creemos que va a ser. Porque la ciencia siempre nos mostró que uno va en una dirección y espera ciertas cosas, y las aplicaciones que encuentra al final muy raramente son las que uno pensaba. Por ejemplo, cuando se inventó el láser la gente pensaba que iba a ser "el rayo de la muerte", y de hecho su aplicación en comunicación, en la reproducción del sonido no se habían imaginado.

Otro ejemplo muy interesante es el de la resonancia magnética nuclear, que fue inventada hace 60 años y ahora se utiliza para obtener imágenes médicas. Mi sensación es que con la computadora cuántica ocurrirá exactamente lo mismo: mientras intentamos desarrollarla aparecerá algo incluso más fascinante, algo que ni siquiera consideramos.

–¿Y en este momento cómo piensan que podría ser?

–Bueno, la razón por la que se está trabajando en esto es que, para algunos problemas, los algoritmos que uno puede basar en la lógica cuántica son mucho más rápidos que los que podemos desarrollar con las computadoras clásicas.

–Es decir, que la diferencia intrínseca sería matemática.

–Sí, y el problema es que hasta ahora hay muy pocos algoritmos útiles basados en la lógica cuántica. La meta está muy lejos y hay una cantidad de dificultades por delante que deberemos enfrentar. Por ejemplo, el hecho de que el sistema se comporta de manera cuántica sólo cuando está aislado de toda perturbación del entorno. Las perturbaciones del entorno dan nacimiento a lo que conocemos como "decoherencia", la pérdida de las propiedades cuánticas. Juan Pablo [Paz] ha estado trabajando en este efecto durante muchos años.

La decoherencia es el gran enemigo de la computación cuántica y estamos tratando de encontrar formas de evitarla. Ha habido algunos progresos, pero el tipo de protección que tenemos que alcanzar contra la decoherencia es tan alta que es muy difícil de lograr. Sin embargo, en el largo camino que tenemos que recorrer para dominarla, para encontrar formas de corregir los errores que introduce, uno aprende un montón sobre la física cuántica y, como dije, podría encontrar aplicaciones interesantes.

–¿En su experiencia, cuál es el entorno que más favorece las ideas novedosas, la creatividad? ¿Hay algún momento del día o alguna circunstancia en particular?

–Las nuevas ideas son muy raras, en realidad... Uno nunca sabe de dónde vienen o cuándo... Frecuentemente surgen de discutir con colegas, en mi caso de mi colaboración con Jean-Michel Raimond y Michel Brune, que son un tremendo capital para nuestro grupo. Intercambiamos ideas todos los días y competimos para encontrar nuevos enfoques. Los verdaderos momentos ¡Eureka! ocurren cuando uno ve suceder en el laboratorio las cosas que ha estado buscando durante mucho tiempo. Por ejemplo, en nuestro caso estuvimos años soñando con ver los saltos cuánticos de la luz, y el día en que lo logramos fue un momento realmente excitante.

–¿Está sufriendo la ciencia en Francia por la crisis económica?

–Sí, definitivamente hay problemas, pero los científicos sufrimos menos que otras actividades, porque para el gobierno una de las prioridades es mejorar el sistema universitario y de investigación y ha hecho un esfuerzo para no reducir el presupuesto. Hay mucha ansiedad por el futuro, pero debo decir que la situación no es tan mala. Por ejemplo, el año último recibí un subsidio de dos millones y medio de euros para desarrollar mis investigaciones durante cinco años. Personalmente, no me puedo quejar.

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