El «gato vudú» cuántico ha sido fabricado fotón a fotón

Tomografía de Wigner de un estado de 9 fotones tipo "gato vudú" comparando teoría (izq.) con experimento (der.). (C) Nature

Tomografía de Wigner de un estado de 9 fotones tipo "gato vudú" comparando teoría (izq.) con experimento (der.). (C) Nature

El «gató vudú» (voodoo cat) es un sistema cuántico con 3 estados (vivo, muerto y zombie). Hofheinz et al. han logrado preparar este estado con 9 fotones. El parecido entre el resultado experimental y la teoría es asombroso. La preparación de este tipo de estados de superposición es la base de la computación cuántica. El principio de superposición es el secreto fundamental de la mecánica cuántica, permitiendo que un sistema cuántico esté «en dos lugares al mismo tiempo,» ya que un estado cuántico puede contener simultáneamente varios estados físicos diferentes que se pueden medir de forma separada.

¿Se puede preparar un estado cuántico en superposición arbitrariamente complejo? Hofheinz et al. han demostrado cómo preparar un estado de superposición de múltiples fotones individuales en un resonador electromagnético superconductor. Su diseño les permite añadir y quitar cada fotón uno a uno, hasta un límite de 9 (por ahora). Han caracterizado estos estados mediante la técnica de tomografía de Wigner (ver la figura) y han observado que el tiempo de decoherencia es mayor del esperado. Todo un logro hacia los futuros ordenadores cuánticos. El artículo técnico es de Max Hofheinz et al., «Synthesizing arbitrary quantum states in a superconducting resonator,» Nature 459: 546-549, 28 May 2009 . Nos lo comenta Yasunobu Nakamura, «Quantum physics: Tailor-made quantum states,» Nature 459: 516-517, 28 May 2009 . Por cierto no es la primera vez que Hofheinz publica en Nature una artículo en esta línea de investigación, es su segundo pleno en un año: Max Hofheinz et al., «Generation of Fock states in a superconducting quantum circuit,» Nature 454: 310-314, 17 July 2008 .

¿Qué es un estado tipo «gato vudú»? No sé por qué pero desde que Erwin Schrödinger introdujo su famoso gato, a los físicos cuánticos les gustan los gatos. Un «gato vudú» cuántico es un sistema cuántico que puede ser medido en tres estado posibles, que reciben nombres de lo más «vudú»: «vivo» (estado (-2,0) en la figura de arriba), «muerto» (estado (-1,-2) en la fig.) y «zombie» (estado (-1,2)). Este estado se puede construir con un número arbitrario de fotones (en su representación en el estado de Fock) aunque Hofheinz et al. sólo lo han logrado fabricar con precisión hasta 9 fotones (ver la figura).

¿Por qué llamarle «gato vudú»? Bromas de los físicos cuánticos. Los 3 estados de un «gato vudú» podrían llamarse con nombres de colores (rojo, verde y azul) como los quarks, con números (1, 2 y 3), con letras (A, B y C), etc., pero los autores han preferido nombres más a lo Iker Jiménez. ¡Cosas de los físicos cuánticos!

¿Para qué sirve este gran logro cuántico? El gran problema de los ordenadores cuánticos es la decoherencia, la vulnerabilidad de la superposición de estados ante cualquier perturbación el entorno (incluso el mismo vacío influye). Lograr sistemas cuánticos en superposición con largos tiempos de decoherencia es un paso obligado para lograr en un futuro ordenadores cuánticos. El trabajo de Hofheinz y sus colegas tiene tiempos de decoherencia (para 9 fotones) de unos 200 ns (nanosegundos). Parece poco, pero es mucho para un estado tan complejo. Este trabajo permitirá estudiar mejor cómo actúa la decoherencia en estados de superposición complejos lo que ayudará al futuro diseño de ordenadores cuánticos basados en circuitos electrónicos superconductores.

Max Planck, el primer bloguero de la historia

Dibujo20090527_Max_Planck_1901Max Planck, el famoso físico «padre» de la teoría de los cuantos fue el primer «bloguero» de la historia. Mantuvo un diario personal compartido con sus amigos Carl Runge (matemático), Bernhard Karsten (físico profesor de ingeniería) y Adolf Leopold (abogado). El diario pasaba de mano en mano y cada uno escribía lo que escribiría en un diario propio, pero conociendo lo previamente escrito por los demás. La mayoría de las entradas son personales (familia, trabajo), aunque Planck y Runge también escriben sobre sus viajes, conferencias científicas, y descubrimientos. El interés para la historia de la ciencia de dicho «blog» es muy limitado (más prensa rosa que otra cosa). Aún así Klaus Hentschel y Renate Tobies lo publicaron como «Brieftagebuch zwischen Max Planck, Carl Runge, Bernhard Karsten, und Adolf Leopold,» ERS Verlag, 1999 . Revisión del libro de Joseph F. Mulligan. El «blog» publicado comprende solo 120 cartas (Runge escribió 79, Planck 37, y las 4 restantes de Karsten y Leopold).

Permitidme una breve reseña sobre la vida de Max Planck. Extractaré algunos pasajes de J. L. Heilbron, «Max Planck’s compromises on the way to and from the Absolute,» pp. 21-37 en «The Frontiers Collection Quantum Mechanics at the Crossroads. New Perspectives from History, Philosophy and Physics,» editado por James Evans, Alan S. Thorndike, Springer Verlag, 2007 .

Para Max Planck la física era una profesión, no una vocación. Prodigioso pianista, podría haber sido un famoso concertista. En la Universidad de Munich, alrededor de 1880 tuvo que elegir entre 3 campos a los que dedicar el resto de su vida: Filología, donde trataría de descubrir las leyes universales de la comunicación humana; Historia, donde trataría de descubrir las normas del comportamiento humano; y Física, donde trataría de descubrir las leyes de la naturaleza de la realidad. Su profesor de matemáticas le convenció de que eligiera Física.

La tesis doctoral de Planck en 1879 versó sobre la segunda ley de la termodinámica. Escrita en 3 meses a la edad de 21 años empieza con una frase lapidaria «las consideraciones que siguen están relacionadas con todos los procesos naturales, no sólo con la teoría del calor.» Su habilitación, un año después, discutió el equilibrio térmico de cuerpos isótropos sin recurrir a su constitución atómica o molecular. Tras dominar la termodinámica, Planck se dedicó a la electrodinámica desde 1890 (tras la demostración de Hertz de la generación de ondas electromagnéticas). Se concentró en determinar la densidad de energía de la radiación de un cuerpo negro en función de la temperatura y del color. Wien en la oficina federal de estándares germana (Physikalisch-Technische Reichsanstalt) y poseía el dispositivo experimental más preciso de su época para medir la radiación del cuerpo negro. ¿Para qué? Para medir el espectro de las bombillas (patentadas por Edison en 1879) para uso doméstico y civil.

De todos es conocido que Planck pasó a la fama tras derivar una fórmula para el espectro del cuerpo negro que comprendía como caso límite a la fórmula de Wien y que se obtenía de aplicar la recientemente descubierta física estadística de Boltzmann (contar un número de estados discretos). Para el propio Planck su deducción «era puramente matemática.» Einstein y Lorentz fueron quienes notaron que el trabajo de Planck iba más allá de la electrodinámica de Maxwell y la termodinámica estadística de Boltzmann, había nacido una nueva rama de la física.

El anuncio oficial del Premio Nobel de Física de 1908 informó que había recaído en Planck (y el de química en Rutherford). Sin embargo, el comité Nobel se retractó y se lo concedió a Lippmann (Planck lo recibió finalmente en 1918). En palabras del propio Planck:  “la tragicomedia de su vida.”

¡Niels Bohr!, ¿pero qué coño hizo Niels Bohr?

Las cosas de Menéame: «Si hablas con algún físico profesional que sepa de qué va el tema, probablemente te diga que Bohr es, sin duda, el físico más sobrevalorado del siglo XX. Recuerdo a cierto profesor de mecánica cuántica que decía, literalmente: ¡Niels Bohr!, ¿pero qué coño hizo Niels Bohr?» Bouterse.

¡Andrew Wiles!, ¿pero qué coño hizo Andrew Wiles? Resolvió uno de los grandes problemas de la matemática (abierto durante más de 3 siglos). Demostró el llamado «último teorema de Fermat.» ¿Algo importante? Nada importante. Basura. Su trabajo solo ha servido para que un campo de la matemática, reducto de unos pocos «locos,» el campo de las curvas elípticas modulares, se haya convertido en objeto de conocimiento obligado para cualquier matemático puro. Y para los especialistas en Seguridad Informática. «Probecillos» ellos que tienen que aprender cosas como que «en un sistema criptográfico con curvas elípticas es muy importante el número de puntos racionales.»

¡Niels Bohr!, ¿pero qué coño hizo Niels Bohr? Resolvió uno de los grandes problemas de la ciencia (abierto durante más de 3 siglos). ¿Qué es la química? Estrictamente hablando, pura física. Demostró que las propiedades químicas de los elementos (la tabla periódica de Mendeleiev) se podía entender utilizando la mecánica («cuántica» naciente entonces). ¿Algo importante? Nada importante. Basura. Su trabajo solo ha servido para que un campo de la física, reducto de unos pocos «locos,» la mecánica de los «cuantos» se haya convertido en objeto de conocimiento obligado para cualquier físico (teórico, aplicado e incluso industrial). «Probecillos» ellos que tienen que aprender cosas como que «la mecánica cuántica no es realista, no es local, o ninguna de estas cosas a la vez.»

Imagina que te dan la Medalla Fields (bueno un premio equivalente porque ya has cumplido 40 años). ¿A qué dedicas tu tiempo libre? Quiero decir ¿a qué dedicas el resto de tu vida? Andrew Wiles parece que no hecho nada desde entonces. Observa la «realidad» desde su pedestal. Dará sus clases. Cumplirá con sus alumnos. Cumplirá con su mujer.

Imagina que te dan el Premio Nobel de Física (en 1922 por un artículo publicado en 1918, «Sobre la constitución de los átomos y las moléculas,» sobre ideas descubiertas en 1913, en el entorno de Rutherford, sobre la química desde el enfoque de la física). Imagina que te encargan dirigir un Insituto de Física en Copenhague. Nadie en el mundo sabe donde está Copenhague. Nadie había oído hablar de «La Sirenita» de Copenhague (colocada en su lugar en 1913). Mucho menos los físicos del mundo entero a principios de los 192o.  ¿A qué dedicar el resto de tu vida? Dar tus clases. Cumplir con tus alumnos. Cumplir con tu mujer.

¿Por qué le dieron el Premio Nobel a Niels Bohr tan pronto? Quizás influyó el (tercer) Congreso de Solvay, en Bruselas, en 1921, dedicado a «Electrones y Átomos.» Versó casi monográficamente sobre un tema filosófico,  metafísico, o aparentemente poco físico: el principio de correspondencia de Bohr. Quizás influyó que todos los interesados en la «química» desde el punto de vista de la «física» alrededor de 1920 tenían que ir a trabajar con «Dios» Bohr: Kramers, Landé, Sommerfeld, Kossel, etc. ¿Cómo es posible que toda la física mundial en 1924-1925 se concentrase alrededor de Bohr y de su Instituto? ¿Qué hizo Bohr para lograrlo? ¿Pura casualidad? Bohr fue el crisol que necesitaba la «nueva física.»

La historia de la mecánica cuántica es extremadamente complicada, como para resumirla correctamente en una breve entrada [fuente básica de esta entrada].

Louis de Broglie, aristócrata, físico, en su tesis doctoral llevó las ideas de Bohr al extremo «introduciendo» el concepto de mecánica ondulatoria (1923, publicado en 1924). En 1924 Bohr, Kramers y Slater publicaron un trabajo tomando la dualidad onda-partícula como punto de partida para interpretar físicamente a los fenómenos cuánticos. Poco más tarde, Erwin Schrödinger desarrolla la mecánica ondulatoria (culminada en 1926). Pocos le entienden. Sus discusiones con Bohr, épicas.

Bohr se carteaba regularmente con Fowler, que enseñó mecánica cuántica a Paul Dirac en 1923. Werner Heisenberg, joven visitante habitual del Instituto de Bohr, desarrolló su mecánica de matrices en 1925 para «matematizar» el principio de correspondencia. Inmediatamente Max Born y su joven ayudante Pascual Jordan le dieron su forma casi definitiva, paralelamente redescubierta por Paul Dirac. Pauli resolvió el problema del hidrógeno en 1925, introduciendo el principio de exclusión. Pauli encuentra una relación matemática entre las mecánicas de Heisenberg y Schrödinger, y este último muestra que son completamente equivalentes (en 1926).

¿Estaba claro en julio de 1926 que las teorías de Schrödinger podían explicar la la ecuación de Planck para la radiación del cuerpo negro? No, ni mucho menos, como le hizo ver Heisenberg al propio Schrödinger. Solución. Visita a Bohr en Copenhague. Resultado. Schrödinger enfermó, y como huésped de Bohr, cayó en cama en casa de éste. «Tanto lo atosigó Bohr, que en el colmo de la desesperación, un día gritó: «¡Si, debemos continuar con estos malditos brincos cuánticos, lamento haber empezado a trabajar en la teoría atómica!» A ello Bohr suavemente le respondió: «Pero nosotros te lo agradecemos mucho pues has permitido que la física atómica haya dado un paso substancial hacia adelante.» Aun cuando Schrödinger dejó Copenhague desanimado, Bohr había extraído de estas discusiones las ideas que le permitirían llegar a entender completamente la mecánica cuántica.» [fuente]

En el otoño de 1927, en el Congreso Solvay en Bruselas sobre el tema «Electrones y Fotones,» se puede dar por cerrado este maravilloso periodo de la historia de la ciencia. La culminación de la teoría atómica. Planck, Einstein, Lorentz, Bohr, De Broglie, Schröedinger, Born, Heisenberg, Kramers, Pauli, Dirac y otros. El foco de la discusión. Bohr y Einstein enfrentados. ¿Puede considerarse la mecánica cuántica como la solución final de las dificultades de la física para entender la química (y la realidad)?

Como nos recuerda Leopoldo García-Colín: «Weisskopf afirmó que con la muerte se Bohr terminó una era, la era de los grandes hombres que crearon la ciencia moderna. La ciencia se hacía en aquella época mañana tarde y noche, entre seminarios, discusiones, almuerzos, paseos en bicicleta, excursiones a pie y otros pasatiempos. En estos últimos participaban no sólo los científicos sino sus esposas, familiares y, a menudo, amigos especialistas en otros campos del saber. Las actividades creativas se concebían como parte integral de una cultura y de una sociedad. En ésta, la época de oro de la ciencia, muchos países atravesaron por graves crisis económicas y sin embargo fueron grandes motores de la ciencia moderna. En ellos florecieron varios Institutos y Universidades de primerísima calidad, y científicos como los Bohr, Heisenberg, Dirac, Einstein, etc.»