“En computación cuántica tan solo hemos fabricado ‘máquinas de juguete’”: Serge Haroche, el premio Nobel que estudia los misterios de la luz a nivel subatómico

El físico Serge Haroche dedicó su vida a estudiar la mecánica cuántica, el mundo de las partículas subatómicas donde ocurren fenómenos que desafían la intuición.

Su mayor interés son los fotones, las partículas que transportan la luz y nos permiten detectar todo el universo observable.

Sus investigaciones en este campo le valieron el premio Nobel de Física en 2012, que recibió junto a su colega y amigo David J. Wineland.

Uno de los grandes problemas de estudiar partículas más pequeñas que un átomo, como los fotones, es que pierden sus propiedades cuánticas en cuanto interactúan con el mundo exterior.

Es decir, cualquier esfuerzo por entender el mundo cuántico fracasa en el momento en que se intenta observarlo.

Haroche y Wineland, sin embargo, dieron con la manera de observar y medir partículas cuánticas individuales sin destruirlas.

Logros como este han significado un gran avance en una de las grandes promesas de la tecnología: la computación cuántica.

En esta entrevista, Haroche nos habla de la importancia de la luz para resolver los enigmas del universo, los misterios que aún guardan los fotones y qué tan cerca estamos de una verdadera revolución en la computación cuántica.

Haroche nació en Casablanca, Marruecos, en 1944 y tiene nacionalidad francesa.

Es profesor emérito en el Collège de France y es autor del libro La luz revelada: del telescopio de Galileo a la extrañeza cuántica.

Usted sostiene que para responder las preguntas más profundas del universo hay que entender la naturaleza de la luz. ¿A qué se refiere?

Primero que todo, la mayoría de la información que tenemos del mundo exterior proviene de la luz.

Ya sea de la luz visible de las estrellas y galaxias, o de la luz invisible como las ondas de radio, los rayos ultravioleta, los rayos x, o todo los demás del espectro electromagnético.

Segundo, todo el progreso que hemos logrado en la ciencia moderna, diría que desde los siglos XVI y XVII, proviene de la comprensión de fenómenos naturales que involucran luz.

Y tercero, las dos grandes revoluciones del siglo XX, la revolución cuántica y la teoría de la relatividad, vienen de grandes preguntas que nos hemos hecho acerca de la interacción de la luz con la materia.

Y esto nos ha llevado a una revolución tecnológica, porque todos los instrumentos que han cambiado nuestras vidas como los computadores, el láser, internet, el GPS, todos vienen del conocimiento del mundo microscópico que obtenemos de la física cuántica y la teoría de la relatividad.

¿Cuáles son las grandes preguntas sobre la luz que aún no tienen respuesta?

La teoría cuántica nos da una buena explicación de las fuerzas de la naturaleza: la electromagnética, la nuclear fuerte y débil.

Pero hay una fuerza que está fuera de ese modelo: la gravedad (que se describe en la teoría de la relatividad general de Einstein).

Y, pues, si quieres entender en profundidad qué es al luz, necesitamos una teoría que una a la física cuántica con la teoría de la relatividad general de Einstein.

Eso nos hace falta.

No sabemos exactamente qué pasa, por ejemplo, cuando la luz queda atrapada en un agujero negro. No sabemos qué le ocurre a un fotón cuando se somete a tal cantidad de gravedad extrema.

Necesitamos una teoría que reconcilie la gravedad con la física cuántica.

Y es interesante, porque ambas teorías fueron iniciadas por Einstein a principios del siglo XX, y aún no son compatibles.

Hay gente que cree que hay que cambiar algo en ambas, o al menos en alguna de las dos, para hacerlas compatibles y lograr una teoría del todo.

Esto es un tema muy importante en la cosmología, porque son preguntas relacionadas con las primeras etapas del universo. Eso nos ayudaría a entender mejor el origen del universo y su evolución.

Usted estudia los enigmas de la luz, paradójicamente dos de los grandes misterios de la física están en el otro extremo: la materia oscura y la energía oscura. ¿Puede la luz ayudarnos a develar de qué se tratan esos componentes del universo?

Esos términos son interesantes.

Si hablamos de materia oscura y energía oscura significa que son algo que no tiene luz.

De hecho, la materia oscura es una forma de materia que no interactúa con la luz, por eso aún no la hemos detectado.

Entonces, la luz juega un papel importante para entender qué es lo que ocurre. Por ahora es una pregunta sin respuesta.

Por eso es tan importante encontrar la conexión entre la relatividad general y la física cuántica, creemos que entender eso sería útil para lograr una respuesta.

Es una situación muy parecida a la que teníamos en el siglo XIX, cuando la gente hablaba del éter, un supuesto medio misterioso en el que se propagaban las ondas.

Einstein resolvió el misterio, dijo que el éter no existía, que no lo necesitamos para entender el universo.

Quizás ocurra algo similar con la materia oscura.

Si modificamos esa teoría, el asunto de la materia oscura se desvanecerá o será reemplazado por otra cosa.

Pero aún no lo sabemos, y eso es un gran problema.

Necesitamos evidencia y encontrarla es difícil, porque puede requerir el uso de aceleradores de partículas mucho más poderosos que los que actualmente se pueden construir.

Pero estamos progresando, y tenemos la esperanza de que en las próximas décadas seremos capaces de responder estas preguntas.

La computación cuántica es una de las promesas para el futuro de la tecnología. Cada tanto vemos que una compañía de informática dice haber alcanzado la “supremacía cuántica”. Más allá de la competencia comercial, ¿cuál es el verdadero estado de la computación cuántica?

En la computación cuántica hay mucho bombo publicitario.

Durante los últimos 20 o 30 años hemos aprendido a manipular sistemas cuánticos individuales, aislar un átomo, o aislar un fotón y hacerlos interactuar bajo condiciones muy precisas.

El siguiente paso es hacer eso con una gran cantidad de átomos o partículas.

Veamos, cada átomo puede tener un bit de información.

Un átomo puede estar en dos estados diferentes, que llamamos 1 o 0, pero cuando los haces interactuar logras una máquina cuántica que forma cubits de información.

La diferencia entre una máquina cuántica y una clásica es que la cuántica puede estar en el estado 1 y 0 al mismo tiempo, lo que se llama una superposición de estados.

Ese fenómeno, en principio, puede usarse para construir máquinas que serían mucho más poderosas que las computadoras clásicas, que solo pueden estar en el estado 1 o 0, pero nunca en superposición.

El problema con las máquinas cuánticas es que es muy difícil mantener ese estado de superposición.

Cuando se pierde esa capacidad de estar en dos estados a la vez, le llamamos decoherencia, porque se pierde la coherencia cuántica (y pasa al mundo clásico).

Esa decoherencia es el fenómeno fundamental que explica por qué el mundo macroscópico es clásico. Es lo que explica por qué es imposible que me veas en dos lugares distintos al mismo tiempo.

Entonces, una computadora cuántica debe ser capaz de hacer algo muy paradójico: debe preservar la coherencia cuántica, lo cual significa proteger al sistema del mundo clásico.

Pero, al mismo tiempo, la máquina debe ser capaz de conectarse con el mundo clásico, porque nosotros somos un mundo macro.

Lo que ocurre, entonces, es que tan pronto como intentamos interactuar con esta máquina cuántica le causamos mucha decoherencia.

Hasta ahora, nadie sabe cómo resolver ese problema.

Se están fabricando máquinas que yo llamaría “máquinas de juguete”. Google, por ejemplo, creó una máquina de 53 cubits, y se pueden lograr hasta algunos cientos de cubits, pero para que sea útil, se necesitan millones de cubits.

A mayor número de cubits más se complica la decoherencia. En la actualidad, nadie sabe cómo vencer la decoherencia.

Mi sensación es que aún estamos en el terreno de la ciencia básica, no de la ciencia aplicada, y no sabemos qué será posible ni cuánto tiempo tomará.

Estas investigaciones son fascinantes y aprendemos mucho en el camino, pero tampoco hay que hacer tanto bombo porque puede tener el efecto contrario si no se cumplen las promesas.

Las compañías usan términos grandilocuentes como “supremacía cuántica”, que no tienen mucho significado más allá de las definiciones que usan para mostrar que sus máquinas son mejores que las de los otros.

Vi en una conferencia que usted hacía referencia a los multiversos, un término inspirado en la física cuántica muy usado en la ciencia ficción.

Sos muy astuto si encontraste una charla en la que hablo de eso, porque no es una idea que me guste.

Lo que ocurre es que en la física cuántica cada vez que tenés una interacción entre partículas, el resultado de esa interacción es aleatorio.

No podés predecir de manera precisa qué ocurrirá. Lo único que podés hacer es predecir las probabilidades de que ocurran algunas cosas.

Entonces, si excitás un átomo, este emitirá un fotón. Pero la posición en la que esté ese fotón al momento de detectarlo será aleatoria. Lo único que puedes hacer es hallar unas probabilidades dentro de un margen de tiempo.

Hay quien dice que eso que se detecta es solo uno de los posibles resultados, y que quizás los demás resultados ocurren en otro universo.

Y en eso consiste esta idea de los multiversos que se desarrollan de manera simultánea y según la cual nosotros habitamos simplemente uno de esos universos.

Por supuesto que no hay manera de probar esto de manera experimental, así que yo diría que esto es solo una interpretación, no es un hecho científico.

Hay gente a la que gusta pensar en eso, a mi no, porque es abrumador.

Eso significaría que a cada segundo, a cada fracción de segundo en el que ocurra algo en el universo, cada uno de esos eventos llevaría a la creación de un universo paralelo.

Creo que es solo un juego mental que funciona muy bien para la literatura o la ciencia ficción.

Hay otra idea sobre los multiversos, que se refiere a que vivimos en una burbuja, pero hay otras burbujas en las que se desarrollan otros universos.

Pero, una vez más, estas son solo especulaciones.

Para mí, como físico experimental, el principal criterio para encontrar la verdad, si es que hay una verdad, es ser capaces de hacer experimentos y observaciones.

Y hablando de ciencia ficción, ¿cree que alguna vez los humanos logremos viajar a la velocidad de la luz?

No.

La teoría de la relatividad es bastante sólida, fue probada con gran precisión.

Lo que nos dice es que la velocidad de la luz es la máxima velocidad posible, y también nos dice que para acercarse a esa velocidad necesitas un gran cantidad de energía.

Si querés que un objeto grande llegue al 99% de la velocidad de la luz, necesitarías toda la energía generada por todos los fenómenos físicos en la Tierra.

Entonces, hay limitaciones físicas, pero incluso si lográramos la velocidad de la luz, tené en cuenta que la estrella más cercana a nosotros está a cuatro años luz, y las estrellas en las que, por ejemplo, podría haber otra civilización, puede que estén a millones de años luz.

Entonces mi sensación es que viajar por fuera del sistema solar, por no decir fuera de nuestra galaxia, es un sueño de la ciencia ficción.

Ahora, eso no quiere decir que no podamos tener resultados y observaciones.

Explorar los exoplanetas, por ejemplo, es una manera fantástica de saber si somos los únicos en el universo.

Y eso es buen ejemplo de lo que yo llamo “ciencia inútil”, porque puede que sea inútil trata de viajar a la velocidad de la luz, pero al intentarlo, se pueden crear instrumentos que sí puedan ser útiles.

De la misma manera, todas las aplicaciones que nos han cambiado la vida, como el láser, la resonancia magnética, el GPS, los celulares, vienen de entender cómo funciona la materia a escalas microscópicas.

Todo esto hubiera sido imposible sin las ciencias básicas, a las que muchas veces se les considera inútiles.

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