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Emilio Donoso, doctor en Astrofísica e investigador en el Instituto de Ciencias Astronómicas, de la Tierra y del Espacio (ICATE) de la UNSJ/CONICET, explica conceptos de física y de mecánica cuántica, protagonistas en el reciente Premio Nobel de Física. Fue otorgado a los descubrimientos del «efecto túnel cuántico macroscópico» y de la «cuantización de la energía en un circuito eléctrico». Se trata de aportes ligados al desarrollo de la computación cuántica y de nuevos avances digitales.
Por Fabián Rojas
La mecánica cuántica está en el centro de las investigaciones y resultados que lograron el reciente Premio Nobel de Física. Los estudios son del británico John Clarke, el francés Michel Devoret y del estadounidense John Martinis. El galardón de la Real Academia Sueca de Ciencias fue por el descubrimiento del «efecto túnel cuántico macroscópico» y la «cuantización de la energía en un circuito eléctrico». Son realidades de un mundo subatómico aplicables a los ámbitos de la computación y de la tecnología digital más actuales y de futuros cercanos. Al respecto, Revista la U dialogó con Emilio Donoso, doctor en Astrofísica e investigador de CONICET en el Instituto de Ciencias Astronómicas, de la Tierra y del Espacio (ICATE), que es un instituto de Doble Dependencia UNSJ/CONICET. Donoso también es profesor de Física Moderna en esta Universidad Nacional de San Juan.
– Empecemos por decir, por favor, qué es la mecánica cuántica
-La mecánica cuántica es una parte de la física que estudia el comportamiento y propiedades del universo a escalas muy pequeñas, usualmente sistemas del tamaño de electrones, protones, neutrones y otras partículas subatómicas. Cuando estudiamos objetos cada vez más y más pequeños, comienzan a dominar otras fuerzas fundamentales -llamadas fuerzas de interacción nuclear- por sobre la gravitación y el electromagnetismo y es necesario abandonar la mecánica newtoniana determinista por una descripción probabilística.
– ¿Qué quiere decir eso?
– Quiere decir que, clásicamente, un electrón es una partícula con una posición y velocidad definida. Pero cuánticamente el mismo electrón es una superposición de infinitas ondas que tiene mayor probabilidad precisamente alrededor de la posición observada de la partícula. Esto conlleva un efecto notable y es que el electrón no está localizado en un lugar del espacio, sino que estrictamente se encuentra en todo el universo. Erwin Schrödinger planteó esto en la su famosa analogía del gato en la caja: dentro de la caja y mientras nadie lo observe, el gato está en todos sus estados posibles superpuestos (vivo y muerto). Cuando alguien abre la caja y observa el gato, su función de onda colapsa hacia algún estado concreto.
– ¿Esto a escalas más grandes es imposible determinarlo?
-A escalas macroscópicas todos estos efectos cuánticos son despreciables, pero a escalas microscópicas cobran gran relevancia. Por ejemplo, a escalas chicas podemos observar la granularidad de conceptos clásicamente continuos tales como la energía, el spin y el momento angular. Esto significa que hasta el mismo espacio está cuantizado. Por ejemplo, un electrón orbitando un núcleo atómico puede absorber energía del medio sólo cuando dicha energía es la suficiente para alcanzar otro nivel de energía permitido, no puede absorber digamos la mitad. En consecuencia, los electrones de todos los átomos son nubes de probabilidad que tienen regiones permitidas donde pueden estar, o sea que su probabilidad es alta, y regiones prohibidas donde no pueden hacerlo, es decir que su probabilidad es baja.
– Los trabajos galardonados con el Premio Nobel de Física fueron por el descubrimiento del efecto túnel cuántico macroscópico, ¿qué sería ese efecto?
-El túnel cuántico es un fenómeno común a escalas atómicas. Supongamos el caso concreto de un tipo de radioactividad. Dentro del núcleo atómico de ciertos elementos podemos encontrar partículas, como neutrones y protones, que tienen cierta energía. Esas partículas están confinadas en el núcleo porque se encuentran dentro un pozo de potencial muy grande y literalmente rebotan contra las paredes de ese pozo. Su energía sencillamente es insuficiente para llegar superar la altura del borde del pozo. Sin embargo, cuánticamente sus “funciones de onda” se extienden por todo el espacio. La partícula siempre estuvo dentro y fuera del núcleo atómico. Entonces, en los miles de millones de colisiones por segundo, alguna vez logran superar esa barrera de potencial y saltan hacia el exterior creando un túnel cuántico. De esta forma una partícula alfa, dos protones y dos neutrones, puede escapar de su confinamiento nuclear y tenemos entonces un núcleo radiactivo que emite radiación alfa.
-La Academia sueca galardonó al descubrimiento a escala macroscópica…
-A escalas macroscópicas el efecto existe, pero es prácticamente inobservable. Una persona “cuántica” chocando repetidamente contra una pared puede efectivamente atravesarla por efecto túnel, pero la probabilidad de ello es exigua. El premio nobel corresponde precisamente a un experimento donde se observa un túnel cuántico macroscópico. Básicamente tenemos dos materiales superconductores, aquellos que no ofrecen resistencia al paso de la corriente, separados por una pequeña capa aislante. Los electrones pueden fluir sin fricción, pero también sin necesidad de aplicar un voltaje. Clásica o “newtonianamente”, estos electrones no tienen la energía suficiente para atravesar el aislante y deberíamos obtener una corriente nula.
– Pero desde lo cuántico sí pueden…
-Sí, cuánticamente pueden hacer túnel cuántico, atravesar el aislante y seguir su camino de forma que obtenemos una corriente sin aplicar ningún voltaje.
– ¿Eso se relaciona con la nueva computación cuántica?
– Este dispositivo se conoce como unión de Josephson y son elementos esenciales para fabricar muchos dispositivos electrónicos como los qbits (o cúbits) superconductores, base de la computación cuántica con átomos, así como los bits son la base de la computación tradicional.
– También se premió la cuantización de la energía en un circuito eléctrico…
-De lo anterior se desprende que este tipo de circuitos electrónicos se comporta como un oscilador cuyos niveles de energía son discretos, es decir están cuantizados. Lo mismo que se observa a nivel subatómico en un átomo con la gran diferencia de que el circuito es algo microscópico y fácilmente controlable en forma electrónica.
-En la práctica ¿qué permite?
-Este principio permite entonces fabricar sistemas electrónicos cuantizados y controlables, es decir los qbits que se emplean para construir sistemas de cómputo cuántico.