Entrevista: Serge Haroche
Este francés de setenta y cuatro años recibió el Premio Nobel de Física en 2012 por haber aislado, medido y manipulado fotones sin alterar su naturaleza cuántica. Su trabajo es una de las bases del desarrollo de ordenadores cuánticos, que de hacerse reales serían mucho más potentes que los actuales.
Llevamos años profetizando la llegada de los ordenadores cuánticos, máquinas que en lugar de bits –unidades de ceros y unos que codifican y almacenan información– usan cúbits, partículas subatómicas que operan según las leyes de la física cuántica y que, en teoría, permitirán procesar muchos más datos mucho más rápido. Un bit solo puede tener un valor 1 o 0 en un momento dado, pero un cúbit puede tener los dos a la vez gracias a sus propiedades cuánticas, y de ahí su enorme potencial. ¿Pero van a llegar de verdad estas máquinas o son pura especulación? Serge Haroche se muestra tajante: “Hoy por hoy son una utopía. Se desconoce cómo esquivar los problemas que hacen que no hayan pasado de ser un conjunto de ideas y experimentos de laboratorio”.
Este físico –nacido en 1944 en Casablanca (Marruecos) pero que vive en Francia desde los doce años– explica que para que se desencadene la “magia del mundo cuántico”, que promete un poder computacional inimaginable, comunicaciones imposibles de hackear y velocidades de infarto, el ordenador debe estar aislado por completo de su entorno y en el frío más absoluto. No son las condiciones más comunes en las mesas de trabajo, ni permitirían a un posible usuario interactuar con la máquina.
Haroche sabe de lo que habla, porque hace diez años logró capturar, manipular y estudiar partículas subatómicas –fotones, en concreto– sin que estas perdieran sus propiedades cuánticas. Hasta entonces no parecía posible, ni por tanto desarrollar tecnologías basadas en tales cualidades. Este hito permitió dar los primeros pasos en la construcción de un computador cuántico, por lejano que parezca aún completar la tarea. En 2012, este trabajo
le valió el Nobel de Física, que recibió conjuntamente con el estadounidense David J. Wineland, quien había completado experimentos similares, también con fotones.
Este científico de familia judía es ahora profesor emérito en la Escuela Normal Superior de París, donde tiene su laboratorio. Además, se dedica a defender en todo tipo de foros e instituciones la importancia de invertir en ciencia y en los investigadores jóvenes, y forma parte de jurados de galardones científicos como los Premios Rei Jaume I, instituidos por la Generalitat Valenciana. No las pierden, lo que pasa es que son muy frágiles, y cuando interaccionan con el resto del mundo sus peculiares propiedades se diluyen por las fuerzas que ejercen otros cuerpos. Si somos capaces de seguir cada uno de sus movimientos, descubrimos que mantienen intactas sus propiedades cuánticas. Otro problema distinto es que cuando centramos la atención en una partícula cuántica, esta ya no se comporta como tal. Por ejemplo, según las leyes cuánticas, una partícula muy pequeña puede hallarse en dos estados a la vez –parada y moviéndose, por ejemplo–, pero en cuanto existe un observador externo, el sistema cuántico colapsa y aparentemente la partícula elige estar en uno solo de los dos estados posibles. Esto prueba por qué es tan difícil manipular y controlar partículas a un nivel cuántico, y por qué resulta complicado construir dispositivos cuánticos útiles. Sí, lo logramos [sonríe]. Hace diez años, aislamos un campo cuántico de fotones –las partículas que constituyen la luz– en una caja hecha de espejos muy, muy, muy reflectantes, en condiciones en las que su naturaleza cuántica era significativa, es decir, en un ambiente aislado y a una temperatura muy fría. Gracias a los espejos, conseguimos mantener a las partículas reflejándose entre ellos a lo largo de una décima de segundo. En ese interva
lo logramos que esos fotones interaccionaran con miles de átomos que cruzaban la caja. Del comportamiento de esos átomos, fruto de dicha interacción, pudimos extraer información sobre el campo cuántico, sobre cómo actuaba dentro de la caja, cuántos fotones lo componían y si existía incertidumbre sobre su número exacto, como predicen las leyes cuánticas. No solo pudimos estudiarlos y avanzar en el conocimiento de la electrodinámica cuántica (la teoría cuántica del campo electromagnético), también demostramos que se pueden manipular campos muy pequeños y hacer cosas que no se podían hasta entonces, como las superposiciones: que el fotón se refleje y sea absorbido por las paredes de la caja al mismo tiempo, por ejemplo. ¿Por qué este experimento abre las puertas al desarrollo de aplicaciones basadas en la física cuántica? A raíz de la gran cantidad de información y metodología que generamos, otros equipos de investigación han hecho experimentos similares en los que, por ejemplo, nuestros átomos han sido reemplazados por circuitos superconductores, que podrían ser la clave para el procesamiento cuántico de la información. Y, por tanto, para desarrollar ordenadores cuánticos. ¿Se tiene idea de cómo conseguirlo? Construir un ordenador cuántico conlleva una gran dificultad: para que funcione de acuerdo con las leyes de la física cuántica, debe estar aislado del exterior. Pero necesitamos extraer e introducir información en el computador. Si no, ¿para qué sirve? Esta contradicción es difícil de solucionar. Hay algunos candidatos a resolver el problema, pero no está claro si son realistas. Uno de ellos son los circuitos sobre los que hablaba antes, pero está por ver si funcionarán. Crear software que pueda soportar la enorme cantidad de información y capacidad computacional de los ordenadores cuánticos es otro de los desafíos a resolver. Es esencial. Tenemos que encontrar los algoritmos que puedan trabajar con máquinas cuánticas. Y por ahora hay muy pocos capaces de hacerlo. Para desarrollar un ordenador cuántico se necesita mucho trabajo teórico previo en la ciencia de la información. No se trata ni siquiera de física, sino de un nuevo tipo de ciencia computacional que está cogiendo mucha fuerza y que usa la lógica cuántica para construir nuevos algoritmos. Algoritmos que, además, podrían conseguir que las máquinas piensen como humanos. Algunos científicos creen que, si se desarrollan algoritmos cuánticos, tendremos una nueva clase de inteligencia artificial mucho más poderosa. Pero necesitamos un ordenador cuántico para saberlo. La computación clásica ya ha ido muy lejos en este campo, con algoritmos que permiten a las máquinas aprender por sí mismas. Es lo que se conoce como deep learning (aprendizaje profundo). ¿Y si no superamos ninguno de estos retos? Llegaríamos a una potencia máxima de computación que no superaríamos. La capacidad de la computación clásica no puede incrementarse mucho más, porque los transistores se construyen con átomos: se puede reducir cada vez más el número de átomos necesarios, pero no ir más allá de eso. El aumento del poder de los computadores en los últimos quince años ha ido de la mano de la miniaturización de sus componentes. Pero esta capacidad está llegando a su límite físico. Una posible manera de evitar este límite es usar las propiedades del mundo cuántico. ¿No hay otras formas de superar esa barrera? ¿A dónde nos llevará la ciencia? Es un misterio. Al margen de que la ciencia aplicada solucione o no los problemas técnicos, la investigación básica puede darnos sorpresas. Siempre ha proporcionado descubrimientos inesperados y accidentales cuando lo que se buscaba era otra cosa. Muchas de las invenciones científicas del siglo XX que cambiaron nuestras vidas surgieron de hallazgos inesperados para los científicos que los hicieron. Bendita serendipia. Desde luego. Vivimos tiempos fascinantes, pero no podemos prever qué pasará, nadie lo sabe. Siempre pongo el mismo ejemplo: las fantasías de la gente de principios del siglo pasado acerca de cómo sería el mundo de hoy han resultado ser ridículas. En aquella época todo estaba conectado con cables, nadie podría haber imaginado a partir de la física de entonces lo que hacen los actuales ordenadores. Las conexiones inalámbricas y los teléfonos inteligentes eran inimaginables hace un siglo.
Pero algunas predicciones sí aciertan. De alguna manera, sí. Me estoy acordando de una postal de principios del siglo XX en la que se imaginaba cómo sería el mundo futuro. Representaba a gente charlando al calor de una chimenea que contenía un trozo de radio, un elemento del que ahora sabemos que es extremadamente radiactivo y peligroso. En cierto modo, esa predicción tuvo algo de razón, pero de una manera inesperada, porque si alimentas un reactor nuclear con ese material, obtienes electricidad que puede calentar las casas. Anticipó que la energía atómica podía ser útil, pero no sus peligros. Con el tiempo se demuestra que muchas teorías son falsas. ¿Puede pasar lo mismo con la física cuántica? Como la existencia del éter (sustancia que se creía que llenaba el espacio y justificaba que la luz se propagara a través de él) que Einstein liquidó, ¿no? [se ríe]. Nadie cree que en un futuro pueda descubrirse que la física cuántica es un error, porque explica demasiadas cosas. Por ejemplo, ha conseguido completar las teorías físicas que Newton y Maxwell desarrollaron, y ha demostrado su validez en contextos y condiciones que parecía que obligarían a modificarlas. Probablemente, la física cuántica será el camino para conseguir una teoría más amplia. ¿La famosa teoría del todo? Desarrollar una teoría unificada que describa y relacione las cuatro fuerzas elementales que gobiernan el universo –gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil– es posible, según algunos investigadores. Pero es difícil, entre otras cosas porque la mecánica cuántica y la relatividad general son radicalmente diferentes, y ponerlas de acuerdo no resulta sencillo. No estoy convencido de que exista una teoría del todo. ¿Qué otros retos tiene por delante la física cuántica? Puede ayudar a explicar qué pasó en el origen del universo y a averiguar qué son la materia y la energía oscuras. Las últimas pruebas sugieren que el modelo estándar de partículas está incompleto; le faltan elementos, y quizá la teoría cuántica pueda completarlo. Algunos investigadores opinan que el comportamiento del espacio y sus cuerpos celestes no se debe tanto a la existencia de la materia y la energía oscuras como a un desajuste en la teoría de la gravedad a larga distancia, que necesitaría ser modificada. Puede que el reciente descubrimiento de las ondas gravitacionales nos dé más pistas del funcionamiento del universo.
“¿A dónde nos llevará la ciencia? Es un misterio. Pero hay que invertir más dinero en la investigación básica: siempre trae descubrimientos inesperados que nos cambian la vida”
¿Existen ejemplos del alcance de la mecánica cuántica más apreciables en la vida cotidiana? La neurociencia está muy conectada con ella, porque necesita aparatos basados en los principios de la física cuántica para explorar el cerebro, entre otras cosas. Y la revolución energética imprescindible para que sigamos viviendo en la Tierra puede ir ligada al desarrollo de aplicaciones cuánticas que sirvan para construir materiales aislantes y placas solares más eficaces. La solución no es evidente y nos lleva una y otra vez a la ciencia básica, esencial para avanzar en cualquier rama del conocimiento. ¿Sin ciencia básica no habrá progreso? Ya me he retirado de la docencia, y creo que lo mejor que puedo hacer por la sociedad es recordar que es necesaria más ciencia básica, además de aplicada, e invertir dinero en ella, no solo en Francia sino en toda Europa. Las instituciones públicas y privadas deben apostar por ella sin promesas ni falsas expectativas, porque los resultados son inciertos y, con frecuencia, inesperados.