El pasado 19 de septiembre, el Grupo Vasco del Club de Roma celebró una nueva conferencia-debate con la intervención de Gonzalo Muga, catedrático, fundador y primer director del Centro Cuántico de la UPV/EHU.
La física cuántica es una teoría aparentemente misteriosa, pero es la base de multitud de objetos cotidianos que usamos día a día.
La 1ª revolución cuántica surge a principios del siglo XX fruto de la curiosidad por cuestiones que las teorías clásicas no podía explicar.
Planck propone que la radiación no se emite en cantidades arbitrarias de energía, sino en cuantos, o unidades discretas cuya magnitud depende de la frecuencia.
Einstein va más allá, y postula que la hipótesis cuántica no solo es válida para la emisión sino para la luz en sí, que estaría constituida por cuantos de energía, lo que hoy llamamos fotones. Así explica las propiedades del efecto fotoeléctrico, que es la emisión de electrones en un metal cuando se ilumina. Las Células de puertas automáticas o paneles solares funcionan con el efecto fotoeléctrico
Bohr lleva la cuantización aún más lejos, aplicándola a la materia. Los átomos y moléculas tienen niveles de energía discretos y pueden saltar de uno a otro cuando aplicamos campos electromagnéticos, como la luz, con las frecuencias adecuadas. Este principio de resonancia entre luz y materia ha permitido desarrollos tecnológicos como el transistor, la resonancia magnética, el láser o el GPS.
Una consecuencia muy visible de la física cuántica son los colores que vemos, explicados por la discretización de los niveles de energía de los átomos y su interacción con la luz.
En los años 20, De Broglie completó la simetría al postular que las partículas también pueden ser ondas, algo que luego comprueban Davisson y Germer, Y poco después nace la microscopía electrónica, que permite hasta dos millones de aumentos, frente a los 2.000 de la microscopía óptica común-
Pero todas estas propuestas van en contra y no se ajustan a la física clásica. Hasta que la ecuación de Schrödinger permite consolidar la física cuántica como una teoría coherente.
No obstante, el problema de la ecuación de Schrödinger es que a medida que aumentas las partículas es más difícil de resolver. Este es uno de los motivos para desarrollar los ordenadores cuánticos que puedan utilizar otras propiedades más frágiles y difíciles de controlar que la simple discretización, como la dualidad onda-partícula, la aleatoriedad intrínseca, la superposición de ondas o la fragilidad de las superposiciones (decoherencia).
Se dice que la cuántica es la ciencia de lo pequeño, pero es la ciencia de todo, aunque es más difícil verlo en objetos grandes.
Dirac intenta ir más allá con un argumento estético y configura una ecuación relativista para el electrón. Una solución la interpreta como la antipartícula del electrón. (positrón)
El efecto túnel, por ejemplo, que permite a las partículas cuánticas atravesar barreras imposibles para la física clásica, es también fruto de la dualidad onda-partícula (así funciona por ejemplo el pen drive o las reacciones nucleares del sol o la microscopía de túnel de barrido, que nos permite ver los átomos.
La teoría de bandas de Bloch explica la conductividad. Esto es l o que se usa en el año 47 para inventar el transistor, el gran invento del siglo XX, que dio origen a los chips y la informática moderna y está presente hoy en muchísimos dispositivos electrónicos.
En 1935 se descubre el entrelazamiento, que dice que dos objetos cuánticos pueden estar fuertemente correlacionados, aunque los separemos físicamente. Esto tiene implicaciones fundamentales porque cambia nuestra visión de la naturaleza, al ver los objetos cuánticos como un todo global conectado.
En los años 40 nace la resonancia magnética, que es también física cuántica pura, fruto del principio de resonancia antes mencionado.
En los años 50 se crea el reloj atómico, más preciso que la rotación de la tierra, y también con muchas aplicaciones, como, por ejemplo, el GPS.
Y en los años 60 se inventa el láser, con sus múltiples aplicaciones en procesamiento de materiales, biomedicina, impresoras, códigos de barras o las comunicaciones por fibra óptica que usamos en casa para recibir la TV o internet.
¿Qué más puede aportar la física cuántica? Ya se está hablando de una 2º revolución cuántica. Para ello se pretende utilizar más propiedades como la superposición y el entrelazamiento, frágiles y difíciles de gestionar, y se anticipan aplicaciones en sensórica, computación y comunicaciones.
La computación cuántica es la más desafiante y se basa en el cúbit, un sistema cuántico con dos estados básicos: 0 y 1. A diferencia del bit clásico, el cúbit puede estar en una superposición de 0 y 1.
En un ordenador cuántico, debemos manipular los cúbits de manera precisa para conseguir la respuesta deseada siempre o casi siempre, sin conocerla de antemano.
Diseñar algoritmos cuánticos eficaces es un reto. Difícilmente superan a los algoritmos clásicos, y pocos ofrecen mejoras significativas. Otra limitación es que no se prevé por el momento que los ordenadores cuánticos sean efectivos para cálculos que requieran muchos datos, sino para problemas combinatorios complejos.
Un algoritmo cuántico efectivo será el que, sin saber a priori la respuesta, nos ofrece siempre la misma. Esto es un reto.
Más allá de nuestra percepción inmediata (clásica, plana, en blanco y negro) existe un mundo cuántico (3D, a technicolor) más rico y transformador. Como en el mito de la caverna la realidad nos espera ahí fuera para ser descubierta y comprenderla, y sobre todo, para usarla con creatividad y responsabilidad a través de nuevas tecnologías. El conocimiento nos da opciones, y tenemos que decidir cómo usarlo.
Doctor por la Universidad del País Vasco y con estancias postdoctorales en Bruselas, Jerusalén, Vancouver y Madrid, colaborando con destacados investigadores, Gonzalo Muga ha sido Catedrático del Departamento de Química Física de la UPV/EHU entre 1999 y 2023, después de nueve años en la Universidad de La Laguna como profesor titular. Fue el primer director del centro de investigación en ciencia y tecnología cuántica EHU Quantum Center y cofundador del Master Quantum Science and Technology (UPV/EHU).
Ha sido miembro del Patronato de Ikerbasque, coordinador de Física y Ciencias del Espacio en la Agencia Nacional de Evaluación y Prospectiva y editor jefe de Europhysics Letters, la revista de la Sociedad Europea de Física. Además se le ha incluido en las listas de los “World’s top 2% scientists” de la Universidad de Stanford y es uno de los físicos españoles más citados en los campos de “Óptica” y “Atómica, Molecular y Química”; es miembro electo de la Sociedad Americana de Física, y premio de investigación de la Academia Canaria de las Ciencias 1996.
Su investigación se ha centrado en la mecánica cuántica. Ha publicado más de 300 artículos científicos, colaborando con físicos destacados como el Premio Nobel D. J. Wineland. Ha sido profesor invitado en universidades y centros de Investigación como UNAM, U. de Shanghai, Toulouse, Max Planck de Dresde o U. de Ginebra, y ha dirigido numerosas tesis doctorales en el campo de la física cuántica.
A lo largo de su carrera, ha participado activamente en la divulgación de la ciencia, organizando seminarios, escribiendo artículos para el público general y colaborando con medios de comunicación.En los últimos años su labor de divulgación se centra en dos temas: presentar la física cuántica y sus aplicaciones a un público amplio, e invitar a la reflexión sobre el solapamiento entre Arte y Ciencia.
