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Diálogos cuánticos

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Por Guillermo Goldes
@GUILLEGOLDES

Hace unos días visité en su oficina en FAMAF a mi colega físico Pedro Walter Lamberti. Siempre es una visita interesante. Me mostró algunos modelos de antiguas máquinas científicas, construidos por él mismo. Serán motivo sin duda de una columna posterior. En esta oportunidad hablamos de varios temas. De la última entrega de los Premios Nobel, por ejemplo.

Le conté de mis inquietudes sobre cómo explicar de manera clara de qué trataba el último Nobel de Física. Los premiados fueron los británicos David J. Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz. Sobre su trabajo, los medios replicaron hasta el cansancio una frase de laboratorio: “utilizaron métodos matemáticos avanzados para estudiar estados inusuales de la materia, como los superconductores, los superfluidos o las capas magnéticas finas, asociados a propiedades cuánticas de la materia”. Un verdadero intríngulis. La charla con mi colega siguió por los carriles que ahora les contaré.

-Walter, con esto del Nobel de Física me llaman de todos lados para que aclare un poco. Pero más que aclarar, oscurezco. Es que siempre me resultó difícil comunicar temas relacionados con la cuántica...

-Y, no es fácil...sobre todo porque el mundo de la cuántica está muy alejado de nuestra experiencia de todos los días.

-Parte de mi problema también tiene que ver con el hecho de que nunca hice un curso formal de cuántica...sabés que los astrónomos no tenemos esa materia en el Plan de Estudios...

-Sí, claro, y es un problema serio. Muchos procesos cuánticos influyen en cuestiones astrofísicas. Lo muy chico tiene repercusión en lo muy grande, aunque no se vea de un primer vistazo.

-Contame un poco más.

-Bueno pero empecemos por el principio…
La Mecánica Cuántica surgió a principios del siglo XX para describir cómo se comportan los átomos y las moléculas, que son asociaciones más o menos estables de átomos. Luego se fue extendiendo para explicar qué pasa con las partículas elementales, como los electrones, neutrones y protones, que forman los átomos, pero también con los fotones, que forman la luz.
Esta teoría pasó por distintas etapas. Llegó a su madurez en la década de 1930. Durante esas fases trabajaron algunos próceres de la física moderna como Albert Einstein, Max Planck, Niels Bohr, Max Born, Paul Dirac y Erwin Schrödinger, por mencionar algunos. Hoy consideramos que es una de las teorías fundamentales de la física. Y en mi opinión es una de las mayores creaciones del ingenio humano…

-Aha…pero ¿cuáles son sus bases?

-Esperá que eso viene ahora. Porque aceptar la cuántica obligó a los físicos a abandonar muchos de los principios fundantes de la mecánica clásica, que dominaron toda la escena desde los tiempos de Newton, en el siglo XVII.

-¿Por?

-A eso iba. Hay varios aspectos de la Mecánica Cuántica que chocan con nuestras experiencias cotidianas. Por ejemplo, si lanzamos una pelota de tenis hacia arriba con una velocidad conocida, podremos saber con total certeza en qué momento esa pelota caerá al piso. Pero en Mecánica Cuántica, no es así; sólo podemos hablar de la probabilidad de que la pelota toque el suelo en un determinado instante de tiempo. ¡La certeza desaparece! Claro que en el dominio de la cuántica no se trabaja con pelotas, sino como te decía antes con partículas que son átomos o cosas más chicas todavía.Otro aspecto llamativo de la Cuántica es que la descripción de cualquier sistema físico deja de ser completa.

-¿Cómo es eso?

-Es sencillo, aunque alejado de nuestro sentido común. Si conocemos cierto aspecto del sistema, por ejemplo su posición, no podremos conocer todos los otros aspectos, como por ejemplo la velocidad. Esto se llama Principio de Incertidumbre de Heisenberg. 

-El famoso Principio de Incertidumbre…

-Sí. Lo notable es que esta imposibilidad de lograr el conocimiento completo no se debe a una limitación humana, sino que es una ley de la propia Naturaleza. A pesar de que esto nos pone límites infranqueables, es precisamente por esas características que se abren potenciales aplicaciones realmente sorprendentes. Fijate que hoy en día la Cuántica está presente en muchos de los dispositivos de uso cotidiano: celulares, computadoras y cualquier otro que use microprocesadores. Y se trabaja en el desarrollo de computadoras verdaderamente cuánticas. Eso va a permitir procesar y transmitir información de una manera realmente revolucionaria.

-Pará, pará, pará…explicame por qué los microprocesadores tienen que ver con la cuántica…

- Es que un microprocesador está formado por millones de transistores, que están construidos de materiales semiconductores. Los semiconductores no son conductores comunes como el cobre ni tampoco aislantes como el vidrio. Dependiendo de cómo los conectes, dejan pasar la corriente o no. Por eso sirven para fabricar computadoras: cuando pasa corriente tenés un “uno” o un “sí” lógico. Cuando no pasa corriente tenés un cero, o un “no” lógico. ¿Está? Bueno, resulta que es la cuántica la teoría que sustenta la construcción de semiconductores.

Te diría más aún: la posibilidad de fabricar materiales semiconductores es uno de los grandes logros prácticos de la mecánica cuántica. 

-Y entonces, ¿qué sería una computadora “verdaderamente cuántica” como dijiste recién?

-Las computadoras que tenemos sobre nuestros escritorios hacen cálculos y procesan la información en base a un bit. Un bit puede tomar los valores 1 y 0. Toda la información almacenada dentro de una computadora se representa como una colección de unos y ceros. Puede ser la foto de un amigo, un e-mail, un libro electrónico, cualquier cosa.

En cambio en una computadora cuántica, la unidad de información es el qubit, un bit cuántico. Un sistema físico que tiene dos estados posibles, pero en el cual cualquier mezcla de esos dos estados también sirve para almacenar información. Y aquí está la gran diferencia con una computadora clásica. Eso amplía increíblemente las capacidades de cálculo de una computadora cuántica respecto de una clásica. 

-OK, Walter. Una duda más. Vos mencionaste entre los pioneros de la cuántica a Einstein. Pero, ¿acaso Einstein no se oponía a esa visión probabilística de la cuántica? ¿No es verdad que decía “Dios no juega a los dados”?

-Sí, las dos cosas son ciertas. Einstein tuvo un rol clave en el desarrollo de la mecánica cuántica, pero también fue un crítico feroz. Entre sus primeros tres trabajos científicos, hubo uno en el cual explicó el efecto fotoeléctrico a través del concepto de fotón. Es el efecto que hace que los paneles solares funcionen. Los fotones son partículas de naturaleza puramente cuántica. De hecho el Premio Nobel de Física que Einstein recibió en 1921 se debió a ese trabajo. 

Sin embargo, a medida que la Teoría Cuántica iba desarrollándose, tomó ese carácter probabilístico del que ya hablamos, y que es su marca en el orillo. Se acababan las certezas en la física, y eso molestaba bastante a Einstein. Lo notable, y parece casi una ironía, es que los cuestionamientos que hizo Einstein a la Teoría Cuántica son usados actualmente en el desarrollo de las computadoras cuánticas.
...
Me despedí de Walter con la sensación de tener el panorama un poco más claro. En seguida, sin embargo, comenzaron a asaltarme nuevas dudas. Peor aún, volvieron a acosarme algunas que había creído definitivamente aclaradas. Más allá de la cuántica, las personas tenemos nuestras propias incertidumbres. 

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