El físico español intenta averiguar el límite en el que dejan de funcionar las incomprensibles leyes de la física cuántica, con las que una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo
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El físico español Oriol Romero-Isart
El físico español Oriol Romero-Isart / Kike Para/ FBBVA
En 2009, cuando tenía 28 años, el físico Oriol Romero-Isart propuso un experimento fascinante: intentar conseguir que una bolita de vidrio de 100 millonésimas de milímetro esté en dos lugares al mismo tiempo. Suena imposible, pero en el mundo de lo muy pequeño rigen las incomprensibles leyes de la física cuántica, con las que una partícula diminuta puede estar en dos sitios diferentes en un mismo momento, o ser roja y verde a la vez, o moverse simultáneamente hacia la izquierda y hacia la derecha.
III Oriol Romero-Isart
El físico Oriol Romero-Isart (Terrassa, Barcelona, 1981) se incorporará en octubre a su plaza de catedrático en la Universidad de Innsbruck (Austria). Ahora trabaja en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, en Garching (Alemania), a las órdenes del también español Ignacio Cirac, que desarrolla ordenadores basados en la física cuántica. En Austria, dice, echará de menos “tener cerca al Barça”.
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El objetivo de Romero-Isart, nacido en Terrassa (Barcelona) en 1981, es explorar los límites en los que estas leyes dejan de funcionar y manda la física clásica, menos desasosegante. En una o dos décadas, opina, se podría llevar a cabo el mismo experimento en la frontera de la vida: con un virus. Y, después, con ositos de agua, unos animales microscópicos que viven en musgos y helechos. Lo que plantea, pues, es asombroso: intentar que un animal esté en dos lugares a la vez. El propio Romero-Isart está prácticamente en dos sitios al mismo tiempo. En octubre se incorporará a la Universidad de Innsbruck (Austria) como catedrático de Física Cuántica, pero todavía es investigador en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, en Garching (Alemania). Por su trabajo, acaba de ganar el premio Investigador Novel en Física Teórica de la Real Sociedad Española de Física y la Fundación BBVA. En Innsbruck dispondrá de 1,7 millones de euros para desarrollar sus propuestas en los próximos cinco años.

¿Qué ocurriría en esta sala si de repente rigieran las leyes cuánticas?

Las propiedades físicas de lo que vemos, como por ejemplo que aquí tenemos una botella de agua que está en un sitio y un vaso que tiene un cierto color, no están bien determinadas a niveles cuánticos. Si de repente rigieran las leyes de la física cuántica, podría pasar que la botella de agua en vez de estar a mi derecha, estuviera a mi derecha y a mi izquierda a la vez. Eso obviamente no lo podemos ver, porque la cuántica dice que cuando miremos un objeto, veremos que está o a la derecha o a la izquierda. Lo que sí podríamos ver, por el hecho de que está en ambos sitios a la vez, es algún tipo de signatura. Sería como cuando tiras dos piedras a un lago: se crean dos ondas y se ve una interferencia entre las dos. En cuántica tiraríamos una sola piedra al lago y veríamos dos ondas. Este fenómeno se denomina superposición.

¿Qué más podría ocurrir?

En la física cuántica puede existir un estado en el que una moneda esté en cara y cruz a la vez. Y si cogemos dos monedas podemos tener un estado en el que estén las dos en cara y las dos en cruz. Esto es el entrelazamiento cuántico. Si le doy a otra persona una moneda, que esté entrelazada con la mía, y camina hacia el infinito, yo puedo mirar mi moneda y si está en cara, sé que la suya también estará en cara. Para entrelazar sistemas cuánticos se necesita que primero interaccionen, con láseres o con otro tipo de fuerzas.

Alguien podría pensar que si te atas un dedo a otro y mueves uno de ellos, se mueven los dos, pero en este caso no hay hilo.

No, en principio no hay ningún hilo. Hay que hacer que los dedos interaccionen de alguna manera, pero una vez que ya han interaccionado quedan entrelazados de una manera que no se puede explicar ni visualizar a nuestra escala macroscópica. Estas dos cosas estarían ligadas ya para siempre, aunque haya muros de por medio.

¿Se sabe el porqué?

Experimentalmente, sabemos que se puede hacer. Se sabe cómo pasa, pero no el porqué.

El premio Nobel de Física Richard Feynman dijo: “Si usted piensa que entiende la mecánica cuántica es que no la ha entendido”.

Sí, es normal. Nuestra intuición está basada en nuestra experiencia. Y desde que nacemos vivimos con las leyes de la física asociadas a nuestra escala, que son las leyes de la física clásica. Nuestro lenguaje y nuestra intuición no están preparados para visualizar las leyes que rigen en la escala en la que no vivimos, la escala de las cosas muy pequeñas y de la física cuántica.

Usted quiere averiguar dónde acaba el mundo de las cosas muy pequeñas, en el que rigen las leyes de la física cuántica, y dónde empieza el mundo macroscópico, en el que funciona la física clásica. ¿Cómo pretende hacerlo?

Entre los experimentos que hemos propuesto, el que más éxito ha tenido es con esferas de vidrio. Se trata de atraparlas con unas pinzas ópticas. Una partícula se siente atraída hacia la zona en la que hay un máximo de intensidad de luz. Si utilizas un láser y lo focalizas en un punto, la partícula de vidrio va a sentir una atracción y se va a quedar atrapada. Es un experimento muy bonito, porque atrapas materia con luz. Utilizando láseres en cavidades ópticas puedes enfriar las bolitas de vidrio hasta tal punto que llegan al nivel cuántico.

¿Por qué las bolitas adoptan propiedades cuánticas?

La física clásica nos diría que puedes reducir la velocidad de un objeto hasta que esté quieto. Es una imagen que todos tenemos en mente, porque ves que un coche frena y se para. Pero, si te vas a la escala microscópica, los objetos nunca están quietos, siempre están vibrando por las fluctuaciones térmicas. Si en vez de mirar un coche miras un átomo, siempre está vibrando porque tiene una cierta temperatura. Si empiezas a enfriarlo, o a reducir su velocidad, podría ser que llegaras a la temperatura cero, por tanto no vibraría y estaría parado completamente. Pero cuando enfrías llegas a un límite en el que no puedes enfriar más. Cuando llegas a ese régimen es cuando observas los efectos cuánticos. En física, la temperatura está asociada al movimiento. Cuando algo está caliente es porque las moléculas que forman ese objeto están vibrando mucho, empiezan a chocar entre ellas, los impactos generan energía y eso crea la sensación de calor. Pero cuando enfrías las moléculas o los átomos, no se mueven, paran de vibrar. Digamos que se congelan.

¿De qué temperatura estamos hablando?

Hablamos de temperaturas de nanokelvins [cero kelvins, el cero absoluto, corresponde a -273,15 grados centígrados]. Serían 0,0000000001 kelvins, supercerca del cero absoluto, que es donde empiezas a ver los efectos cuánticos. Una vez que la bolita está en el nivel cuántico, puedes pensar en utilizar láseres para crear superposiciones: poner esa bolita en dos sitios diferentes a la vez. Esto ya se ha hecho con átomos, electrones, neutrones e incluso moléculas con 60 átomos. Nosotros queremos hacerlo con esas bolitas, que tienen unos 100 nanómetros [millonésimas de milímetro] y contienen miles de millones de átomos. Es interesante porque exploras los límites. Muchos científicos, como el físico británico Roger Penrose, predicen que la mecánica cuántica no será válida cuando intentes hacer superposiciones de objetos muy grandes, porque quizá la fuerza de la gravedad empezará a tener un papel importante e imposibilitará la creación de una superposición. Nosotros queremos explorarlo.

¿Y usted cree que se podrá poner esas bolitas de millones de átomos en dos lugares a la vez?

Yo creo que es muy interesante explorarlo, pero si doy una opinión no es basada en la ciencia, sino en una intución. Yo creo que el principio de superposición cuántica no va a ser válido cuando los objetos sean muy masivos. O no va a ser válido o la gravedad va a tener un papel importante.

Entonces, tampoco se podrá poner un virus en dos lugares a la vez.

En principio, es muy interesante explorarlo. Los virus son tan pequeños como estas esferas y quizás sí funcione. Pero si te vas a una esfera de 10 micrómetros [milésimas de milímetro] en vez de 100 nanómetros [millonésimas de milímetro], igual ya no funciona. Sería muy interesante ver una frontera a partir de la cual la mecánica cuántica no sea válida, porque eso generaría una revolución en el mundo científico.

¿Quién va a llevar a cabo el experimento con el virus?

Nosotros somos teóricos, hemos hecho las propuestas experimentales. Analizamos cómo hacerlo. Y hay varios grupos muy interesados, intentando hacer el experimento. Como siempre en ciencia, hay que ir paso a paso. Ahora están intentando hacerlo con esas nanoesferas y ya las atrapan en vacío. Están empezando a enfriar el movimiento. Primero se tendrá que llegar al estado cuántico, después crear superposiciones y a largo plazo podrían intentarlo con microorganismos, como los virus. Hay un grupo del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona, liderado por Romain Quidant, que ha hecho un experimento donde atrapan una esfera de vidrio en vacío y la enfrían, pero todavía no a niveles cuánticos. También hay experimentos en la Universidad de Viena, en la Escuela Universitaria de Londres y en la Universidad de Texas en Austin, entre otros. Hay unos seis o siete grupos que trabajan a partir de nuestra propuesta experimental.

¿Cuándo se podrá conseguir?

Yo creo que un experimento en el que se enfríe una esfera de vidrio hasta su estado fundamental podría lograrse en menos de cinco años. Eso ya sería muy interesante. Crear superposiciones, que la bolita esté en dos lugares a la vez, podría ocurrir dentro de entre cinco y diez años. Con microorganismos ya es más especulativo, porque un microorganismo no es tan limpio como una esfera de vidrio, y no se puede analizar tan bien sus propiedades físicas. Podría ser que el experimento no funcione con los virus, porque absorban mucha luz y se quemen. Es más difícil, pero yo creo que en 10 o 20 años se podría intentar poner a un virus en dos sitios a la vez. Queda muy bien hablar del experimento con virus, pero desde el punto de vista físico sería igual de interesante pensar en una esfera de vidrio del tamaño de un virus en dos sitios diferentes a la vez.

Usted también ha propuesto realizar el experimento con unos animales microscópicos, los osos de agua.

Hace 10 años era muy difícil pensar que estaríamos en un momento en el que se podría considerar preparar superposiciones de objetos tan grandes. Pero, ¿por qué no?

Sería conseguir que un animal, aunque sea microscópico, estuviera en dos sitios a la vez.

Sí, nosotros planteamos explorar si es posible.

¿Qué candidatos serían ideales?

En un tamaño de entre 100 nanómetros y micras [milésimas de milímetro], ya entran bacterias y virus. Pero esto es un terreno más especulativo. Es importante saber primero si el experimento ideal para una esfera de vidrio limpia se podría hacer también con organismos vivos.

Se ha sugerido el problema de qué ocurriría con la consciencia si se pone a un ser vivo en dos lugares a la vez.

Tenemos las leyes de la física cuántica que predicen que un objeto puede estar en dos sitios a la vez. Eso se ha comprobado con objetos muy pequeños, como un átomo o una molécula de 60 átomos, y nosotros pensamos en hacerlo con esferas de millones de átomos. Uno puede extrapolar esto y preguntarse qué pasaría si hacemos el experimento no con una bolita, sino con un virus. Y uno podría seguir aumentando y preguntarse qué pasaría si ponemos un osito de agua en dos sitios a la vez. Podría seguir extrapolando y preguntarme qué pasaría si yo estuviera en dos sitios a la vez. No sabemos responder, porque nadie lo ha explorado científicamente. Simplemente mencionamos que es interesante plantear que eso se pueda explorar científicamente en algún momento. En mi opinión, una persona nunca podrá estar en una superposición, simplemente porque no se podrá hacer el experimento. Para realizar un experimento así se requiere que el objeto esté muy bien aislado de su entorno, porque cuando interacciona con el entorno la superposición desaparece. El entorno son incluso las moléculas de aire que chocan contra nosotros constantemente y destruirían cualquier superposición.

Por eso propusieron los osos de agua, porque sobreviven incluso en el vacío.

Claro, un requerimiento es estar en un vacío muy bueno, para que ninguna molécula de aire te toque. Necesitas organismos vivos que sobrevivan a esas presiones tan bajas, que por ejemplo hacen que te deshidrates, que pierdas toda el agua. Una persona explotaría, no podría vivir. Se puede pensar sobre esto desde el punto de vista filosófico, pero en la práctica nunca se podrá llevar a cabo un experimento así.

¿Qué aplicaciones podría tener su experimento con la bolita de vidrio?

El hecho de enfriar una esfera de vidrio a niveles cuánticos y preparar esas superposiciones puede ser extremadamente útil para medir cosas, como la fuerza de la gravedad a distancias muy cortas. La ley de Newton que todos estudiamos en el bachillerato funciona muy bien con objetos grandes, como cuando cae una manzana de un árbol, pero no se ha comprobado si la ley de Newton es válida cuando estás midiendo la gravedad entre dos cosas que están separadas por una distancia de una millonésima de milímetro. Hay modelos de física de altas energías que predicen que esa ley no va a ser válida. Además, como es tan complicado que estas superposiciones sobrevivan, esto nos dice que son muy sensibles al entorno. Y, por lo tanto, son unos sensores ideales para medir el entorno, porque cualquier cosa las destruye. Son muy útiles para medir la gravedad, campos eléctricos externos, magnéticos, vibraciones. También se pueden utilizar como un sensor de inercia para detectar si hay algún tipo de movimiento.