Enendiendo el premio Nobel de Física 2012. Medir sin medir

El pasado martes día 9 de septiembre conocimos a los nuevos premios Nóbel de física de la edición 2012, El francés Serge Haroche, y el estadounidense David Wineland se dedican a la física cuántica y han desarrollado cada uno "a su manera" dos estrategias distintas para "medir, sin medir".
Para entender un poco debemos conocer primero al gato de Schrödinger y su paradoja.

Y ahora vamos a explicaros por qué estos dos señores han recibido tan importante premio, primero con un vídeo, y luego con la explicación. si queréis podéis activar los subtítulos.

Para que veamos una cosa, esta tiene que emitir luz directamente (como el Sol, el filamento de una bombilla, o una luciérnaga), o bien los fotones de luz deben rebotar en ella antes de llegar hasta nuestros ojos.

Pero, ¿cómo vemos la luz en sí?

No podemos hacer que la luz rebote contra la propia luz (como tampoco podemos hacer que las ondas de un slinky o las olas en el agua choquen entre sí, pues simplemente se atraviesan).

Además, si "miras" un fotón de luz de la manera habitual, eso implica que tu ojo, tu cámara o tu fotodetector lo absorben, lo que hará que desaparezca. ¡Destruido! ¡Aniquilado!. Es como si quisieses comprobar cuánto peso puede soportar un puente antes de hundirse. Una vez que hayas hecho la medición, tendrás la información que buscabas, pero te habrás quedado sin puente.

Así que, para "ver" la luz, tenemos que emplear métodos no destructivos.

Una manera de hacerlo es construir una caja súper oscura y súper fría, y recubrir su interior con un espejo extraordinariamente reflectante, tanto que los fotones de luz reboten en él más de MIL MILLONES de veces antes de ser absorbidos. En ese periodo de tiempo, habrán recorrido una distancia equivalente a dar la vuelta al mundo. La caja está tan fría y oscura que solo de vez en cuando habrá un fotón en su interior.

Si lo hay, ¿cómo podemos saberlo sin destruirlo?

Podemos hacer que atraviese la caja un átomo que se encuentre en una superposición de dos estados atómicos diferentes, como el gato de Schrödinger. Si no hay ningún fotón en el interior de la caja de espejos, cuando el átomo salga por el otro lado y realicemos una medida, es altamente probable que se encuentre en uno de los dos estados, que llamaremos "muerto". Pero si hay un fotón, y preparamos el átomo cuidadosamente de manera que atraviese la caja sin destruirlo, las interacciones entre el átomo y el fotón hacen que cambie la probabilidad, de manera que será muy probable verlo como "vivo".

Una vez que hayamos enviado unos pocos átomos, si estos se encuentran mayoritariamente en el estado "vivo", sabremos que hay un fotón en la caja. Y si están "muertos", sabremos que no lo hay.

Es como lanzar un molinillo a través de una habitación oscura. Si sale por el otro lado girando, sabremos que hay viento. Si no es así, será que no lo hay.

De hecho, una vez que sabemos que hay un fotón, podemos utilizar esta técnica para medir y manipular otros aspectos del fotón: podemos ver cuántas veces rebota en el interior antes de ser absorbido, comprobar si se encuentra en una superposición de  estados e incluso obligarlo a adoptar una superposición como la del gato de Schrödinger. De forma que no solo podemos ver la luz sino que podemos utilizar al gato de Schrödinger para medir al gato de Schrödinger: ¡Recursión felino-cuántica!

En París, Haroche atrapa fotones (que son partículas de luz) y los mantiene confinados en cavidades formadas por espejos. Los fotones sobreviven un largo tiempo (un tiempo suficiente para dar una vuelta alrededor de la Tierra). Sus trabajos permitieron explorar las propiedades más raras de la mecánica cuántica: logró entrelazar átomos distantes entre sí, y construyó un dispositivo que permite medir el número de fotones sin que sean absorbidos y desaparezcan inmediatamente.  Wineland -que trabaja en el NIST de EE.UU- se dedica a capturar iones (átomos a los que les arranca un electrón). Puede moverlos, estudiarlos, mientras permanecen atrapados durante días.