Serge Haroche, el Nobel en Física que consiguió ver el mundo cuántico sin destruirlo

Nació en Casablanca en 1944, cuando esta ciudad todavía pertenecía al protectorado francés de Marruecos. Serge Haroche no tardaría en destacar por sus habilidades en el difícil campo de la física, a la que ha dedicado toda su vida. Desde que la empezó a desentrañar en la prestigiosa École Normale Supérieure, pasando por la estadounidense Yale, hasta ser hoy figura señera del no menos icónico Collège de France.

Todo culminado por la guinda del pastel: un premio Nobel en 2012, por llevar la delicadeza y sutileza propias de un galo como él al estudio del mundo cuántico.

Pero a ello llegaremos luego. De rigor es comenzar por el principio de la historia, y sobre ello interroga DISRUPTORES - EL ESPAÑOL cuando se encuentra con Haroche en Madrid; primero en la habitación de su céntrico hotel, luego en un lugar más concurrido con motivo de su ponencia estelar en la Fundación Ramón Areces.

"Me crié en el sistema francés. La École Normale es una escuela para formar profesores: aprendemos cómo presentar la ciencia, cómo enseñarla de la manera más clara posible. Después estuve expuesto a una manera diferente de pensar en Estados Unidos, más práctica. Recibir influencias de diferentes culturas me ha resultado muy, muy útil", rememora.

El puente entre la pizarra y el laboratorio, dice, se construye muchas veces enseñando. Ahí aparece la sombra tutelar de Claude Cohen-Tannoudji, su director de tesis y al que ha reivindicado en numerosas ocasiones: "Si quieres enseñar algo, tienes que entenderlo de manera profunda, y eso te da nuevas formas de pensar la investigación. La enseñanza, transmitir el conocimiento de una generación a la siguiente, está muy ligada a la creatividad que puedes tener en tu propia investigación".

Observar sin romper

Empero, Serge Haroche se ha hecho un nombre propio en la historia de la física por méritos más que notorios. El principal, por el que recibió el premio Nobel en 2012 -compartido con David Wineland-, es sencillo de comprender, no tanto de asumir: poder observar y medir un sistema cuántico individual sin destruirlo.

Hasta su investigación, cada vez que se querían probar las teorías cuánticas y observar sus fenómenos en un experimento, los investigadores se encontraban con un desagradable obstáculo: la mera observación de estos momentos destruía el fenómeno y nos devolvía al mundo clásico y sus ya bien conocidas normas.

Serge Haroche, Premio Nobel de Física 2012, durante la entrevista. Fundación Ramón Areces

Pero Haroche se empecinó en demostrar que esa delicada observación era posible. Lo logró atrapando fotones entre dos espejos superconductores de altísima reflectividad y haciendo pasar por esa cavidad átomos de Rydberg que actuaban como sondas no destructivas.

Así lo explica él mismo: “Según la teoría cuántica, un fotón no tiene por qué ser destruido por la medición. En una medición ideal deberías poder verlo y que siga estando ahí. Por eso entendimos que podíamos tener la posibilidad de hacerlo en el laboratorio, de someter el fotón a un átomo que interactuaría de la forma más sutil posible, cambiando la fase de su función de onda... y el fotón seguiría ahí después de haber dejado su huella en el átomo".

Su experimento fue de más a menos, reduciendo el número de partículas hasta alcanzar el régimen individual: “Desarrollamos experimentos que mostraban que podías observar sistemas con cada vez menos partículas. Al principio trabajábamos con miles de átomos en una cavidad, y luego fuimos disminuyendo el número. Nuestra meta era ver qué pasa cuando tienes solo un átomo y un fotón en la cavidad… vimos que sería posible; no había una barrera tecnológica que nos lo impidiera.”

Haroche lo explica con ejemplos cotidianos: “El fotón es como un grano de luz. Cuando lo mides, el fotón se destruye: cuando llega a tu retina, su energía se transforma; los fotodiodos o los fotomultiplicadores funcionan igual: el fotón ‘muere’ cuando entrega la información. Pero según la teoría cuántica no tiene por qué ser así: en una medición ideal, si tienes un fotón, deberías poder verlo y seguir teniéndolo; una medición ideal no destruye el estado del sistema y pronto entendimos que podíamos hacerlo en el laboratorio".

Ese 'ver sin tocar' -medición no destructiva o QND- abrió la puerta a 'filmar' cómo lo cuántico se vuelve clásico. Fenómenos antaño imposibles de constatar, como la decoherencia en tiempo real.

Haroche encaja la pieza en su sitio histórico y práctico: "La teoría de la decoherencia vino antes que el experimento e ilustra la conexión entre el mundo cuántico y el clásico. Nos dice que, si quieres usar las propiedades cuánticas para hacer cosas útiles, tienes que ser capaz de luchar contra la decoherencia. Ese es el gran desafío de los ordenadores cuánticos".

Su investigación corrió en paralelo a la de Wineland. No fue una colaboración, sino algo que Haroche define con una palabra francesa de difícil traducción.

“Fue muy estimulante, porque él se acercaba desde el otro lado. Cada uno de nosotros intercambiábamos los papeles de la luz y los átomos, por lo que los sistemas eran muy diferentes tecnológicamente, pero iguales en el nivel matemático. No era una colaboración; era una competencia… en francés decimos émulation: ayudarse mutuamente compitiendo de forma amistosa. Me alegró mucho cuando supe que compartíamos el premio".

Nada de eso fue posible sin una ingeniería extrema: cavidades superconductoras de pérdidas ínfimas, espejos abiertos (para que entrarán los átomos de Rydberg) pero tan lisos que no dispersaran la luz, y una vida media del fotón lo bastante larga como para interrogarlo miles de veces.

"Era un problema técnico: cómo mantener el fotón durante una fracción de segundo, porque cada átomo interactúa unos pocos microsegundos. Necesitas miles de átomos uno tras otro y el fotón debía permanecer en la cavidad una décima de segundo. Además, el espejo tenía que ser lo bastante liso para no dispersar la luz y mantener los fotones rebotando miles de millones de veces entre los dos espejos sin escapar", detalla a este medio. "Cuando logramos eso, el experimento se volvió posible".

Un pragmático de lo cuántico

La esposa de Serge Haroche, que le acompaña en su visita a Madrid, nos ayuda a vencer el calor extendiendo un toldo sobre la terraza de su habitación. Gracias a ella podemos seguir hablando, porque el trabajo de este excepcional físico no se quedó en la mera demostración de que podíamos observar estos estados cuánticos: también usó esta recién adquirida mirada para comprobar algunas de las teorías más extendidas en este campo.

Haroche pudo demostrar el efecto Zeno (que viene a relacionarse con que la observación continua “congela” la evolución de un sistema cuántico), abrió una puerta a la realimentación cuántica y a la metrología de altísima precisión. Y, en últimísima instancia, a la computación cuántica.

Porque este personaje único es extremadamente cauto ("pesimista" se atreve este escribano a interpelarle durante la entrevista) sobre el potencial a corto plazo de esta tecnología.

Serge Haroche, Premio Nobel de Física 2012, durante la entrevista.

"Antes de construir el ordenador cuántico, hay muchas aplicaciones en metrología, relojes cuánticos… Ahora los relojes ópticos son 100.000 veces más precisos que los de microondas, tan precisos que si los mueves menos de un milímetro arriba o abajo en el campo gravitatorio de la Tierra, marcan un ritmo distinto debido a la relatividad general", introduce.

Antes de lanzar su auténtico dardo: “Desde los años noventa escribimos que el ordenador cuántico era un sueño para los teóricos y una pesadilla para los experimentalistas. Todos estamos de acuerdo en que hay demasiado bombo, hay que ser más modestos, porque limitaciones como la decoherencia aún no están bien resueltas. Quizá si piensas que vas a tener un ordenador cuántico, trabaja en ello, pero no presumas de antemano".

Más allá del laboratorio

Más allá del laboratorio, Haroche mantiene una importante labor divulgativa. El ejemplo por excelencia de dicha obsesión intelectual es el libro La luz revelada, un recorrido histórico por la luz como hilo conductor del conocimiento y la evolución humanas.

La metáfora no es casual: "La luz es un fenómeno que todos deberíamos conocer, dado que la mayor parte de la información que recibimos del mundo exterior nos llega a través de la luz. La mitología y las leyendas están basadas en adorar al sol y, por supuesto, no habría vida sin luz. Pero, al mismo tiempo, se tardó muchísimo en comprenderla. Eso me dio la idea de escribir el libro".

Esa misma luz le sirve para señalar lo que aún no sabemos: la costura pendiente entre relatividad general y mecánica cuántica, y su derivada: los misterios que se esconden -literalmente- tras el horizonte de sucesos.

"¿Qué ocurre cuando la luz desaparece dentro de un agujero negro? Mientras no tengamos una teoría que combine la física cuántica y la relatividad general necesitamos experimentos que son muy difíciles porque requieren energías altísimas o mediciones extremadamente precisas", se responde a sí mismo Haroche.

Él mismo duda de que haya interés suficiente para aprobar los ingentes presupuestos que dicha labor científica requiere. Y tampoco oculta su preocupación por el clima político y el rumbo del mundo. Habla sin ambages de ello.

"Estoy muy preocupado, porque la humanidad está llegando a la limitación de los recursos, enfrentamos el cambio climático, la superpoblación, el peligro nuclear, el peligro de la inteligencia artificial… Y al mismo tiempo, los líderes políticos no están a la altura. Algunos de ellos son criminales locos", apela el premio Nobel.

Aunque no pone nombres sobre la mesa, no es difícil adivinar que se refiere al presidente estadounidense."He visto la reciente cena de Estado que el rey de Reino Unido ofreció [a Donald Trump]. Fue un espectáculo terrible en el que toda esa gente se inclinaba ante un hombre que es, bien un payaso, bien un criminal".

Después de tildarle nuevamente de pesimista, este periodista le pregunta por el rol que podemos jugar a este lado del Atlántico. Haroche entra una vez más al debate: "Europa tiene un poder enorme. Por ejemplo, el Max Planck es una institución increíble…Sin embargo, no somos capaces de mantener nuestro lugar frente a China y Estados Unidos. Es una gran tragedia en este momento".

Él no necesita esa pleitesía ni demanda nada que no sea una mayor apuesta por la ciencia. Serge Haroche sabe bien que su nombre quedará para siempre asociado a la electrodinámica cuántica en cavidades, a las mediciones no destructivas (QND) sobre fotones atrapados, a la decoherencia observada en tiempo real y al efecto Zeno cuántico. Que de él se contarán leyendas conforme avance la metrología cuántica moderna o la computación cuántica. Y ese quizás es el mayor honor con que un físico como él podría haber soñado cuando era apenas un niño.