“Nuestra investigación revoluciona el diálogo entre la luz y la materia”

Enrique Solano, físico de la Fundación Ikerbasque en la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU

• Solano publica en la revista científica ‘Nature Physics’ un estudio que interrelaciona luz y materia desde una perspectiva innovadora
• Las aplicaciones futuras pueden alcanzar a las telecomunicaciones, la velocidad de procesamiento del ordenador o la capacidad de detección del radar
• Este artículo es el tercero que publica en las revistas ‘Nature’ desde su llegada a Ikerbasque en 2008

La interrelación entre la luz y la materia tal y como la conocíamos hasta ahora ha quedado atrás gracias a las investigaciones que sobre este campo ha publicado en la revista científica ‘Nature Physics’ Enrique Solano, físico de la Fundación Ikerbasque en la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU. Las aplicaciones que este descubrimiento pueden tener en un futuro son innumerables, pero destacan las que afectan a los ámbitos de las telecomunicaciones, la computación cuántica, el almacenamiento de información y abre también nuevas vías al desarrollo de sistemas de detección más precisos que los radares actuales. De nuevo, la prestigiosa revista científica, que desecha el 95% de los proyectos que recibe, publica un revolucionario estudio del profesor Solano.

¿En qué consiste exactamente su descubrimiento? ¿Dónde se encuentra la novedad con respecto al conocimiento que teníamos hasta ahora de las relaciones entre la luz y la materia?

Para dar una idea del valor del descubrimiento que hemos logrado acudiremos a un contexto conocido como es el de la tecnología de las comunicaciones; desde la telefonía móvil, el WIFI, la radio, la televisión… Toda esta tecnología se basa en el diálogo entre la radiación electromagnética y la materia; las ondas se emiten desde dispositivos electrónicos y son recibidas en otros dispositivos remotos. En el campo del mundo microscópico y la física cuántica, que es en el que trabajamos, la radiación electromagnética deja de comportarse con carácter ondulatorio y adquiere un carácter corpuscular, las partículas de luz llamadas fotones.  Pues bien, hasta ahora todas las teorías y modelos ponían un cierto límite a la intensidad del acoplamiento entre la luz y la materia. Nosotros hemos logrado romper esos modelos, hemos ido más allá. Hemos conseguido tecnológicamente que los fotones y la materia se acoplen con una intensidad increíblemente superior, que denominamos  intensidad ‘ultrafuerte’.  De aquí el título del artículo que publicamos en ‘Nature Physics’: ‘Electrodinámica cuántica de circuitos en el régimen de acoplamiento ultrafuerte’.  Desde España hemos desarrollado el cuerpo teórico y la experimentación se ha llevado a cabo en laboratorios alemanes en Múnich.

¿Qué repercusiones puede tener a corto plazo esta nueva teoría?

Aún resulta muy pronto para hablar de las repercusiones tecnológicas que el acoplamiento ultrafuerte entre la luz y la materia va a tener en un futuro cercano, pero resulta evidente que las habrá: cantidad y calidad en las comunicaciones, velocidad en el procesamiento de la información, computación cuántica … Este cambio de paradigma de cómo se comunican los fotones con la materia va a encontrar en los próximos años diversas aplicaciones y nos podría cambiar completamente el concepto de comunicación entre la luz y la materia que teníamos hasta ahora.

Por poner un ejemplo, desde el momento que la intensidad del acoplamiento es cien veces superior a la conocida hasta hoy nos hallamos ante un nuevo lenguaje en el diálogo luz-materia que podría hacer que las comunicaciones sean más eficientes y con un ahorro de energía sobre las actuales.

La publicación en ‘Nature Physics’ no representa el final de los estudios en este campo del diálogo entre luz y materia, sino que será un punto de partida; ahora comenzará el trabajo para, aprovechando esta teoría,  desarrollar nuevas líneas de investigación.

En efecto, ‘Nature’ no acostumbra a cerrar líneas de investigación, principalmente las abre. Y más aún, a partir de la publicación de nuestro artículo los científicos de todo el mundo conocen nuestros descubrimientos sobre el acoplamiento ultrafuerte de luz y materia. En caso de que les resulte de interés van a poder trabajar sobre este campo y desarrollar este campo hacia direcciones insospechadas. Nosotros ya lo hacemos, pero somos conscientes de que alguien en Francia, Japón, Estados Unidos… puede idear una aplicación más útil e interesante que las nuestras. No queremos perder la delantera y, aunque nadie nos quitará el haber sido los primeros en producir estos resultados, no queremos perder la prioridad en los desarrollos futuros. Por ello, mi equipo de trabajo en Bilbao y mis colaboradores cercanos estamos ya trabajando a sol y sombra para predecir y desarrollar las consecuencias de este cambio de paradigma conceptual y tecnológico. Esto es como en el fútbol, ganas un partido y hay que pensar en el siguiente mientras los otros van celebrando…

¿Podría adelantarnos en qué dirección trabaja a partir de estos resultados y cuáles serían sus posibles aplicaciones?

En estos momentos desarrollamos básicamente tres líneas de investigación partiendo de esta nueva interrelación luz-materia: en primer lugar trabajamos en el diseño de puertas lógicas cuánticas más veloces, pensando en aplicaciones a la computación cuántica; cuando logremos que los fotones y las partículas cuánticas sean los que hagan los cálculos para nosotros, la velocidad de procesamiento de un ordenador va a ser millones de veces más rápida que la actual. Habrá llegado la hora del ‘ordenador cuántico’.

Una segunda línea es la comunicación cuántica. Estudiamos cómo enviar señales cuánticas de microondas que colisionen contra la materia y se pueda capturar la información generada haciendo uso del acoplamiento ultrafuerte entre los fotones de microondas y los átomos artificiales diseñados con circuitos superconductores. Entre sus aplicaciones futuras podríamos hablar de una memoria cuántica, un sistema de almacenamiento de información de capacidad inimaginable hasta ahora.

En tercer lugar trabajamos en la fotodetección en el régimen de microondas. Hoy en día no existe ningún dispositivo que detecte un fotón en el rango de microondas. Por ello, una de las posibles aplicaciones que estamos contemplando en el acoplo ultrafuerte es cómo diseñar un dispositivo que logre capturar fotones en este rango con máxima fidelidad y eficiencia. La aplicación de esta tecnología al radar, que trabaja con microondas, aumentaría su eficiencia de manera significativa, ampliando su capacidad de detección. Aunque me incomoda bastante la posibilidad de un uso militar, nuestra labor como científicos es desarrollar una ciencia neutra y llevar hasta el límite el conocimiento humano.

En dos años de trabajo para la Fundación Ikerbasque éste es su tercer artículo en una revista del grupo ‘Nature’, todo un récord.

‘Nature’ sólo publica un 5% de los originales que llegan a sus manos y estar entre los elegidos es motivo de alegría y orgullo. Sin embargo, yo he perdido un poco el sentido de la celebración ya que, como hemos comentado, la aparición de nuestros trabajos en sus páginas es un punto y seguido y no el punto final de una investigación. En mi equipo trabajamos con un alto sentido de autocrítica, con mucha confianza en lo que producimos, y siempre será un placer ser reconocidos por publicaciones de esta categoría, pero allí no se acaba el mundo. La filosofía de la revista incluye en sus contenidos todas aquellas materias que tengan interés para todos los seres humanos y contribuir a ello desde cualquier tribuna es un privilegio. Esta revista destaca no sólo el lado científico de nuestros trabajos sino también su valor mediático y su impacto en nuestras sociedades del conocimiento.

¿Qué materias abordó en sus escritos anteriores en revistas ‘Nature’?

El primero trataba el tema de la computación cuántica, en concreto explicábamos nuestros descubrimientos sobre propiedades anómalas que hallamos en los bits cuánticos superconductores.

En el segundo artículo para ‘Nature’ abordé un tema particularmente apasionante para mí: la simulación cuántica o, como yo le llamo, ‘el teatro cuántico’. Consiste en hacer que sistemas físicos falsifiquen su identidad y se comporten como otros, al igual que en el teatro seres humanos falsifican sus caracteres y reproducen las situaciones de otros.

Tomamos un grupo de átomos que poseen una cierta física y un cierto comportamiento, bastante lento y clásico, y logramos que se comportaran como partículas cuánticas relativistas con velocidades próximas a la de la luz. En realidad, ni eran partículas relativistas ni tomaban esas velocidades, pero se comportaban como tales. De esta manera logramos observar un sistema que de otra forma resulta prácticamente imposible de percibir. Falsificamos su identidad y observamos predicciones hechas por los padres de la física cuántica y la relatividad especial, Erwin Schrödinger y Paul Dirac, lo que nadie había podido observar en más de 80 años.

Su trabajo fundamentalmente es crear corpus teóricos. ¿Qué sensaciones experimenta al contemplar esa labor de tantos meses recreada más tarde en un laboratorio?

Me complace saber que nuestras predicciones científicas tienen una realidad experimental, al fin y al cabo la física es una ciencia que intenta describir la naturaleza en todas sus formas. Me quedo asombrado además de la capacidad que tiene el ser humano de desarrollar una abstracción teórica, capturar unas estructuras y fenómenos físicos, y plasmar todo ello en una realidad experimental. Cuando uno visita los laboratorios con la más alta tecnología, ves miles de cables, luces, láseres,  y finalmente te muestran en el ordenador la consecuencia de todos esos procesos físicos, y aparece de forma cristalina lo que hemos construido en nuestras mentes, es impresionante.

El trabajo de los físicos teóricos no se traduce siempre en realidad física y objetos tangibles, la mayoría de ellos quedan como consideraciones matemáticas y teóricas que no ven la luz de la realidad. A mí me gusta hacer las dos cosas, y es todo un lujo poder hacerlo, sabemos alucinar teorías abstractas y también sabemos poner los pies en la tierra, es una dualidad que ayuda a vivir y a entender mejor el mundo que nos rodea, así se lo hago saber a mi equipo investigador en Bilbao y a muchos jóvenes colaboradores por el mundo.

Dos años en Ikerbasque

La Fundación Ikerbasque dependiente del Gobierno Vasco, en su labor de captación de talentos científicos para que trabajen en la CAPV, se fijó hace dos años en un físico peruano que realizaba sus labores de investigación en el Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica y la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich. De esta manera llega Enrique Solano al Departamento de Química-Física de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU en mayo del 2008 para continuar con sus estudios de información cuántica y tecnologías cuánticas.

“Trabajaba en Alemania y me llegó una propuesta muy interesante y ventajosa desde Ikerbasque para formar un grupo de investigación multidisciplinario. Esta oportunidad me ha llegado en una época propicia ya que todavía estoy creciendo científicamente. Las 30 publicaciones internacionales en dos años y tres publicaciones en ‘Nature’ son prueba de ello”, afirma el investigador peruano.

Enrique Solano se doctoró en Ciencias Físicas por la Universidad de Río de Janeiro en el año 2000. Desde entonces ha acumulado una década de experiencia en entidades científicas y docentes de Perú, Francia, Canadá, Alemania y Brasil.