Un relojero de ultraprecisión

Con sus bigotazos, su espigada figura y el gesto ceñudo, uno esperaría ver a David Wineland dedicado al trabajo rudo, en un corral de caballos o en la cubierta de un barco de pesca. Sin embargo, se dedica a un trabajo de tal precisión que el término milimétrico le queda, sin exagerar, hasta miles de millones de veces grande.

Wineland recibió (junto con Serge Haroche) su premio Nobel en Física en el 2012 por encontrar la forma de aislar sistemas cuánticos individuales (es decir, por poder manipular un solo átomo que conserva sus propiedades cuánticas), lo que le permitió ser uno de los creadores de los ultraprecisos relojes atómicos.

Los relojes atómicos actuales, que se hacen con iones (átomos que les faltan electrones y por lo tanto tienen carga eléctrica) encapsulados en trampas magnéticas de unos 80 nanómetros, son tan precisos que haría falta que transcurriera un tiempo equivalente a dos veces la edad del Universo (es decir, alrededor de 28,000 millones de años) para que uno de ellos pudiera tener un segundo de incertidumbre, esto es, hasta medio segundo de adelanto o medio de atraso (los relojes de alta precisión de los GPS son toscos ante éstos).

Estos relojes se basan en una de esas incomprensibles propiedades de los sistemas cuánticos, que el ion puede estar en dos lugares de la trampa al mismo tiempo.

Wineland, nacido en 1944 en la ciudad de Milwaukee y quien trabaja actualmente en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos, acudió al 63 Lindau Nobel Laureate Meeting donde ofreció una conferencia en torno de los fenómenos cuánticos que posibilitan la creación de los relojes atómicos.

Entrevistado en el elegante hotel Bad Schachen, el único de con acceso exclusivo al lago Constanza (que es, por cierto, el más grande de Europa occidental), Wineland explica dónde están las fronteras de su campo de investigación y comenta un poco sobre la computación cuántica, otra aplicación para los sistemas cuánticos aislados.

¿El Nobel, aunque es muy reciente, lo ha cambiado de alguna manera?

No, más allá de que he estado muy ocupado, no. Con mi equipo y mi laboratorio planeo seguir con la misma línea de trabajo. Claro que ahora se espera que promueva un poco mi campo de la física, así que he estado viajando mucho. Está bien hacerlo pero yo… Bueno (ríe con cierto embarazo), me gusta hacer física… pero viajar y contarle a la gente lo que hacemos no está mal.

Hace apenas unos días se aprobó un chip cuántico comercial. Sé que su campo son los relojes, pero me podría decir ¿qué tan cerca cree que estamos de que la computación cuántica sea práctica?

Creo que estamos muy lejos. Incluso con la máquina de D-Wave (ver la nota adjunta), que no está muy claro qué hace y ciertamente no es una computadora cuántica general, puede resolver sólo cierto tipo de problemas específicos. El problema que ellos resuelven es encontrar la configuración de más baja energía para una colección de partículas que están interactuando.

¿Se espera que la computación cuántica resuelva ciertos problemas especiales mejor que la computación digamos clásica?

Ciertamente hay problemas para los que puede servir mejor. El ejemplo que se menciona con frecuencia es que si tienes suficiente poder computacional cuántico puedes factorizar números muy grandes, lo que significa que si tienes un número grande que es el producto de dos números pequeños, puedes encontrar esos números pequeños. Cuando los números se hacen realmente grandes, digamos con algunos cientos de dígitos, son exponencialmente más complicados de factorizar con los algoritmos que se tienen y nuestras computadoras normales, pero el teórico Peter Shore mostró en 1995 que con un algoritmo para una computadora cuántica se podría hacer de manera muy eficiente.

Eso suena como un problema muy esotérico, pero no lo es. Casi toda la encriptación se basa en la dificultad de factorizar. La información de tu tarjeta de crédito basa su seguridad en la incapacidad de factorizar. Claro, si tuvieras una computadora cuántica general capaz de hacerlo, tendríamos que cambiar el método de encriptar. Pero estamos muy lejos de eso.

Poco después de saber que había ganado el Nobel, usted dijo que (dejamos aquí la cita, tal como el científico se la corrigió al reportero) cada vez que aparece un reloj más preciso alguien encuentran aplicaciones para el mismo .

Sí. Un buen ejemplo es la aplicación en la navegación (entendida como desplazamiento en general). Mientras más preciso es un reloj, más precisamente puedes encontrar el lugar donde está. Una de las posibles aplicaciones para relojes más precisos de los que tenemos ahora es que puedes medir lugares de la Tierra con precisión milimétrica y eso importante porque se cree que si puedes encontrar diferencias pequeñas en posiciones separadas por muchos kilómetros, puede ser un indicador de que va a ocurrir un temblor. Antes de que se produzca un temblor, la Tierra se distorsiona y los geólogos creen que si pueden medir esa distorsión con mucha precisión, les puede ayudar a saber que se va a producir un terremoto.

Así que no me quedaré sin trabajo, encontrarán aplicaciones para relojes más precisos.

Se refiere a ellos, ¿usted no está pensando en aplicaciones?

No. Mi trabajo se enfoca en hacer los relojes.

En ese sentido, ¿cuáles son los retos que se enfrentan en su campo ahora?

Se trata de controlar cada vez más las influencias que perturban a los relojes. Por ejemplo, con nuestro reloj más preciso, que está formado por iones de aluminio… siempre hay cierta incertidumbre al medir la frecuencia (él dice click-rate, velocidad de click), y hemos visto que lo que lo limita es que el ion se zangolotea por ahí en lo que llamamos la trampa y, por la relatividad de Einstein, el tiempo es más lento para una partícula que está en movimiento con respecto a un marco de referencia que está quieto, como la trampa.

(Wineland explica entonces la paradoja de los gemelos, en la que un hermano va en un viaje espacial a muy altas velocidades mientras el otro permanece en la Tierra; cuando el viajero regresa resulta que para él sólo pasó un año, mientras que para el que se quedó han pasado 10).

¿Eso es relevante para el pequeño espacio de unos 80 nanómetros en el que se mueven los iones en el reloj?

Es un ejemplo muy dramático el de los gemelos, pero en los relojes los iones se están moviendo, así que el tiempo pasa más despacio para ellos. Es un efecto muy pequeño, es una parte en 1,016 (un uno seguido de 16 ceros) de la frecuencia. El click-rate es 1,015 ciclos por segundo, por el hecho de que se están moviendo hace que sean un décimo de ciclo por segundo más lento que si estuvieran quietos. Nuestra incapacidad para medir con precisión este movimiento oscilatorio es lo que limita la precisión del reloj.

Para hacerlo más preciso, ¿tratan de poner al átomo quieto o calcular con respecto a su movimiento?

Ambos. Hay una técnica que se llama enfriamiento con láser en la que puedes enfriarlo hasta unas milésimas de grado por encima del cero absoluto. Usamos eso, pero el movimiento no es cero y tenemos que calcular el efecto.

La física cuántica es tan ajena a la experiencia cotidiana que es muy difícil entenderla. ¿Cuándo y cómo decidió o se dio cuenta de que ya le entendía?

Jaja, es una buena pregunta. No lo sé. Cuando dices entender , no sé, los diferentes físicos desarrollan una cierta intuición, pero no están de acuerdo. Hay muchas preguntas. Nuestra intuición nos permite hacer experimentos pero en el significado no hay acuerdo.

Eso hace muy interesante, al menos para mí, a la física cuántica, no hay forma de decir que unos están equivocados en la forma en que la conciben o que están en lo correcto. Si entienden o no.

¿Es por ese interés que decidió trabajar en el campo?

No. En la preparatoria me interesaron los relojes. Me gusta el proceso. Me gusta pensar en el experimento y en lo que creo que hará y luego ver qué hace. Creo que a la mayor parte de nosotros nos gusta ese… trabajo detectivesco de averiguar por qué un experimento no funciona, porque es muy raro que a la primera funcione como creemos que va a funcionar.

Lo que hacen en el laboratorio, ¿no limita esas muchas posibles interpretaciones de la mecánica cuántica?

No sé si realmente hemos ayudado a resolver las preguntas fundamentales. Pero sí… Por ejemplo, Schrödinger, uno de los padres fundadores de la mecánica cuántica, escribió a principios de los 50 que esos rompecabezas que estaban haciendo tal vez no eran relevantes porque no se podía experimentar con átomos aislados. Pero ahora sí podemos manipular átomos aislados. Tal vez no podemos resolver estos misterios, pero podemos mostrarlos muy claramente.

Lo que hacemos se parece a tener una pelota en una palangana, pero resulta que la pelota puede estar en un extremo de la palangana y otro al mismo tiempo, lo que no tiene sentido a nuestra escala de tamaño pero sí en el mundo atómico.

Una de las preguntas es por qué no lo vemos a nuestra escala de tamaño. Hay ideas, pero creo que en realidad nadie sabe.

manuel lino.@eleconomista.mx