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Destacan nuevas aportaciones de la física cuántica


Por Tania Robles

Ciudad de México. 4 de septiembre de 2017 (Agencia Informativa Conacyt).- En el marco de la realización de acuerdos académicos entre México y Francia, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) recibió la visita del doctor en física francés Alain Schuhl, director del Instituto de Física (INP, por sus siglas en francés) en el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS, por sus siglas en francés) de Francia, quien describió los beneficios y retos actuales de la física cuántica y las acciones de su institución para resolverlas, sobre todo su perspectiva acerca de la investigación mexicana.

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El agregado de Cooperación para la Ciencia y Tecnología de la Embajada de Francia en México, Jean-Joinville Vacher, destacó que las relaciones científicas entre México y Francia son muy importantes, dentro de las cuales la física es la disciplina con mayores colaboraciones entre México y el país europeo con casi 400 artículos científicos por año.

La física es hoy en día una ciencia multidisciplinaria, es por eso que el CNRS —fundado en 1939— cuenta con 70 laboratorios nacionales distribuidos en toda Francia y tres laboratorios internacionales: en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) en Estados Unidos, en Singapur y Moscú, Rusia. Dentro de las áreas de investigación del INP, las tres con mayores esfuerzos son la de nanociencias y espintrónica, interfaces químicas y biológicas y el estudio de materiales en condiciones extremas. Para esto, este instituto cuenta con mil 500 ingenieros y técnicos, tres mil investigadores y académicos y mil 700 estudiantes de doctorado y posdoctorandos.

Generalidades de la física cuántica

El destacado investigador francés describió la segunda revolución cuántica en la investigación científica. “La primera revolución fue el descubrimiento de la mecánica cuántica en el siglo pasado”, afirmó.

Explicó que la dificultad de la mecánica cuántica es que su entendimiento no es tan fácil de lograr, pues no existen comparaciones en la vida cotidiana con el funcionamiento de esta. “En la mecánica clásica, había dos tipos de elementos: ondas y partículas. Pero cuando vamos a escalas muy pequeñas, por ejemplo, los electrones, se comportan como ondas y partículas al mismo tiempo”, explicó el investigador.

El mundo cuántico también está explicado en el famoso experimento del gato de Schrödinger que representa un sistema con dos estados posibles. El experimento está basado en una cámara que contiene un gato dentro con un proceso aleatorio en el que un pulso con un mecanismo simple liberaría un veneno y dañaría al gato; sin embargo, estando como observador no se podría conocer el estado del gato en este experimento mental.

“En mecánica clásica, el gato estaría vivo o muerto, en mecánica cuántica está en los dos estados. Eso es lo que llamamos la superposición de estado. Se decide en qué estado está el sistema hasta que se hace una medida, es muy diferente, y son cálculos estadísticos”, comentó.

La mecánica cuántica ha permitido que existan muchos elementos tecnológicos actuales como los transistores, circuitos integrados o láseres que funcionan basados en esta área de la física debido al revolucionario concepto que refleja la mecánica cuántica en el campo de la estructura de la materia y sus uniones químicas, las propiedades eléctricas y mecánicas, interacción de la materia y luz, superconductividad, entre otras.

1 Alain Schuhl0409Alain Schuhl.Además, conlleva a nuevas ideas de enlazamiento, “si yo hago la medida en un fotón que es par o enredado con otro, obligatoriamente me indicará en qué estado está el otro aunque estén lejanos, pues es un sistema total. Se ha demostrado que se puede transportar la información cuántica de estos fotones sin perder la coherencia en distancias que no son pequeñas, 300 kilómetros de distancia. Ahora hasta hay experimentos con satélites que permiten conocer estas distancias máximas”, aseguró.

Para el científico, las áreas principales de aplicación de la física cuántica en esta segunda revolución están estrechamente relacionadas con el desarrollo de la óptica no linear que permite utilizar fuentes de fotones enredados y de la propiedad de superposición de estado. Esto ha sido parte fundamental para que se generara un nuevo tipo de almacenamiento de información, en este caso cuántica, que son los qubits.  

Una de estas aplicaciones es la criptografía; esta área en su forma clásica utiliza matemáticas para codificar mensajes, sin embargo, es vulnerable a descifrar. A diferencia de la criptografía clásica, la cuántica ofrece la posibilidad de conocer cuando un mensaje ya ha sido decodificado debido a un cambio registrado en el sistema y ya es utilizada por instituciones bancarias para el movimiento de información, así como empresas que venden sus servicios de criptografía cuántica. “No es un sistema inviolable porque se ha demostrado que se puede, con la misma física que hace funcionar los láseres, duplicar los fotones sin cambiar el primero o el sistema, así que hemos tenido que inventar cosas más inteligentes”, explicó.

Otra de las aplicaciones que más llaman la atención es la de la transportación instantánea, que aunque solo permite teletransportar información pero no materia, ha sido algo destacable en la ciencia moderna. Esto se logra porque partículas enredadas llamadas "A" interactúan con otras diferentes partículas "B" que también pueden enredarse. Además, con la interacción de una tercera partícula "C" de la cual no se conoce parámetros, su interacción resulta en el cambio de su estado cuántico.

La computadora cuántica es uno de los objetivos finales que, usando qubits, genera la posibilidad de realizar miles de cálculos al mismo tiempo para resolver problemas que algunas veces con nuevos algoritmos permiten resolver grandes cuestiones como factorizaciones, y que, sin embargo, aún se encuentra lejos del alcance de la tecnología y conocimiento humano. “Al menos sabemos que todos los conceptos que conforman la computadora, funcionan”, comentó.

Nuevos horizontes

Comunicación, computación, simulación y sensores son los cuatro objetivos de desarrollo tecnológico con física cuántica que se plantean trabajar en un nuevo conglomerado que se planea en el viejo continente y del cual esta institución será parte. El objetivo no es exactamente la ciencia fundamental, sino llegar a las aplicaciones y consolidar la ciencia en esta disciplina en Europa, trabajando con la industria en tecnología cuántica en 10 años. Basado en esto, podría ser posible que con un sector creciente de investigación en física cuántica en Francia, México logre colaborar en mayor medida y en proyectos más grandes.

“Sé que la ciencia en México está fuerte y estoy seguro que hay maneras de trabajar juntos. Las colaboraciones con Francia son muy fuertes, hay muchas publicaciones comunes entre México y Francia. Aunque México no es un país tan fuerte como Estados Unidos y Europa, sí hay una potencia mexicana muy importante. Espero encontrar la manera de poner hilos para trabajar y hacer la colaboración entre México y Francia, existe un interés grande”, finalizó el doctor Alain Schuhl.

 

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