¿Ordenadores cuánticos?

Ya se trabaja en un nuevo concepto de computación, que probablemente en pocas décadas dará lugar a los "ordenadores cuánticos".

Este novedoso concepto de ordenador estaría basado en las leyes de la física cuántica, lo que significa otro concepto de computación totalmente diferente al actual.

La física cuántica surgió a principios del siglo XX, como respuesta ante la imposibilidad de explicar ciertos fenómenos mediante la física clásica (newtoniana).

Se considera al físico alemán Max Planck como su fundador (obtuvo por ello en Premio Nobel de Física en 1918). Éste, ante la imposibilidad de explicar los fenómenos de emisión y absorción de radiación electromagnética por los cuerpos mediante las ecuaciones de la física clásica (los resultados teóricos no coincidían con la realidad medida), propuso que este tipo de radiación no era continua, sino que se emitía "a saltos", es decir, en forma de lo que denominó "cuantos" (quantum, trozo).

De este modo, la luz y la energía se transmitirían de forma discontinua, pero siguiendo un patrón constante, que viene definido por una constante estadística, la constante de Planck.

Esta teoría de Planck fue corroborada por Einstein en su "teoría del efecto fotoeléctrico", donde propone que la luz, en determinadas circunstancias, se comporta como si estuviera formada por partículas independientes, los cuantos de luz o "fotones". Albert Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921 por esta teoría.

     

En consecuencia, un cuanto sería la cantidad mínima de energía que una partícula incorpora o expulsa cuando absorbe o emite radiación.

La aplicación más exitosa de la física cuántica a la Biología ha sido la interpretación del modo en que la clorofila es activada cuando recibe un fotón de luz y desencadena las reacciones electroquímicas de los fotosistemas.

La computación cuántica sustituiría a la tradicional en el momento en que los chips fuesen tan pequeños que ya no funcionarían. Este nuevo concepto estaría basado en el comportamiento que tendrían los electrones en nanomateriales (materiales extremadamente pequeños), donde los espacios que deben recorrer los electrones son tan pequeños que el comportamiento de estos ya no se ajustaría a las leyes de la mecánica clásica, sino de la cuántica.

Prototipo de ordenador cuántico sencillo

Así, un ordenador de este tipo funcionaría mediante cuantos, en lugar de voltajes eléctricos, como los actuales. Como consecuencia de ello, el concepto de "bit", que sólo puede tomar dos valores, 1 ó 0, según haya corriente o no, quedaría sustituido por el de "qubit" (quantum-bit), en el que es posible la coexistencia de los valores 1 y 0 al mismo tiempo, ya que se basa en el estado energético en que se encuentra un electrón y los dos estados, de alta y baja energía, se pueden superponer. Por tanto, un qubit puede representar 4 valores (00,01,10,11), en lugar de los 2 tradicionales, lo que significa multiplicar tanto la capacidad de cálculo como la rapidez de estos futuros ordenadores, en espacios tremendamente reducidos, además de la posibilidad de realizar procesamientos paralelos al mismo tiempo.

Sin embargo, todos estos conceptos teóricos aún no han sido desarrollados tecnológicamente con éxito, pues los científicos se encuentran con inconvenientes importantes a la hora de conseguir un sistema complejo que funcione y que hasta la fecha no han sido resueltos.

Se han diseñado prototipos elementales muy sencillos (foto), pero hasta la fecha no es posible producir sistemas que tengan una utilidad real.

El científico español Juan Ignacio Cirac, director del departamento de óptica cuántica del Instituto Max Planck de Alemania y premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica en 2006, es uno de los referentes internacionales en este campo de investigación, que acabará revolucionando completamente el mundo informático.

Video explicativo sobre la computación cuántica.

Por fin se confirma la existencia del "Bosón de Higgs"

En los primeros días de julio de 2012, científicos del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) han presentado los datos que parecen confirmar "más allá de toda duda razonable" (99,99995%) que el famoso "bosón de Higgs" realmente existe.

Peter Higgs

De esta manera se habría completado el modelo atómico más actual para explicar la materia, pues solamente quedaba por demostrar la existencia de una última partícula, propuesta teóricamente pero cuya existencia aún no había podido ser probada.

Las pruebas han sido presentadas por dos grupos independientes de científicos, pertenecientes a los denominados "experimento ATLAS" y "experimento CMS", cuyos portavoces son Joe Incandela y Fabiola Gianotti.
El propio Higgs se encontraba entre el público asistente a la ponencia y recibió con lágrimas el anuncio.

Según los científicos, tras lograr hacer colisionar de forma totalmente frontal dos protones (en el colisionador de hadrones del CERN, construido principalmente con este objeto), los resultados obtenidos son exactamente los esperados para el caso de aparecer una nueva partícula desconocida. Las características de esta partícula, aún no visionada, coinciden con las previstas por Higgs para el denominado "bosón".
Según todos los físicos, esto prueba de forma irrebatible que dicha partícula es el bosón de Higgs, cuya existencia no había podido ser demostrada desde que Peter Higgs y sus colaboradores propusieran teóricamente su existencia, en 1964.

Pero, ¿qué es el bosón de HIggs y por qué es tan importante?
El modelo actual que explica todas las propiedades de la materia y su comportamiento, denominado "modelo estándar de la Física de partículas", se completó de forma teórica en 1964, cuando un grupo de investigadores, entre los que destacaba Peter Higss, propusieron que era necesaria la existencia de una nueva partícula, aún no descubierta, para poder explicar por qué algunas de las partículas elementales poseen masa.
A esta partícula teórica se la llamó bosón de Higgs y sería la unidad energética que formaría el "campo de Higgs", el cual se encontraría por todo el Universo, interaccionando con las partículas elementales de la materia y dotando a algunas de ellas de masa.
Se podría decir que el campo de Higgs está formado por bosones y se encuentra por todas partes, de manera que las partículas elementales son detenidas por el rozamiento con los bosones a medida que avanzan por el campo de Higgs y este rozamiento hace que los bosones se adhieran a las partículas, frenándolas y proporcionándoles masa, es decir, convirtiendo parte de la energía de dichas partículas en masa (recordemos que Einstein había demostrado que la masa puede transformarse en energía y viceversa, según la ecuación E = mc2).
Las partículas de mayor tamaño sufrirán un mayor rozamiento con los bosones y, por tanto, serán las que tengan mayor masa y menor energía  y aquellas que se deslizan sin rozamiento por el campo de Higgs, como ocurre con los fotones de luz, no perderían nada de su energía ni su velocidad y no adquirirían masa (por eso la luz viaja a la velocidad máxima).

En consecuencia, la masa de la materia es el resultado de la interacción de las partículas elementales que forman dicha materia con el campo de Higgs.

Al bosón de Higgs se le ha llamado "la partícula de Dios" debido a una expresión afortunada que tuvo éxito y que se originó a partir un libro publicado por el premio Nobel de Física Leon Lederman, titulado "la partícula divina: si el universo es la respuesta, ¿cuál es la pregunta?".

Tras el anuncio de la confirmación de la existencia del bosón de Higgs, el más famoso físico de la actualidad, Stephen Hawking, que había apostado 100 $ a que jamás podría ser descubierto, ha reconocido haber perdido la apuesta y propone que le sea otorgado el premio Nobel a Higgs y los otros científicos autores de la teoría.

Una vez explicada la existencia de la materia, las investigaciones se dirigirán hacia el Big Bang, con el fin de poder explicar cómo a partir de una concentración de energía pudo originarse toda la materia que forma actualmente el Universo. Y para ello, el bosón de Higgs puede ser una pieza clave.

Además, se abre una gran puerta para nuevas investigaciones que probablemente llevarán a avances insospechados en el mundo de la ciencia.

Parecían más rápidos que la luz... pero hubo un fallo

En el mes de septiembre de 2011 este blog (ver noticia) se hizo eco de una noticia revolucionaria: un experimento en el acelerador de partículas de CERN detectó neutrinos que viajaban a una velocidad superior a la de la luz.

Esta noticia sensacional auguraba, de ser cierta, un cambio radical en los conceptos básicos de la Física actual, cuya base fundamental es la teoría de la relatividad. Se aventuró que cambiarían las leyes de la Física y la interpretación del Universo, incluso se planteó que esto podría abrir la puerta a futuros viajes espaciotemporales...


Sin embargo, ya avisaban los físicos que este tipo de experimentos necesitan ser comprobados y reproducidos, antes de dar por supuesto que sus resultados son correctos. No había que descartar algún tipo de error en los instrumentos o en la interpretación.
De hecho, muchos expertos estaban convencidos de esta posibilidad, ya que parece que la teoría de Einstein es muy sólida y su afirmación de que nada puede ir más rápido que la luz se supone irrefutable.

Y hoy se ha sabido que, efectivamente, hubo un error en el experimento.

Reloj atómico con conexión a GPS

La revista "Science" ha publicado unas declaraciones de un científico relacionado directamente con el experimento, según las cuales se han detectado dos factores que habrían afectado a los resultados, induciendo a error.
De forma resumida, estos dos factores estarían relacionados con el GPS que proporcionaba las marcas de tiempo a los ordenadores. Este GPS podría haber enviado datos incorrectos como consecuencia de una mala conexión al reloj principal que controlaba los tiempos.

Algo tan simple como una conexión defectuosa de un cable de fibra óptica sería la responsable que que la medición del tiempo que la luz y los neutrinos tardaban en realizar el recorrido de 750 km entre los dos puntos de medición fuera errónea (recordemos que entonces se había registrado que los neutrinos tardaron 60 nanosegundos menos que la luz en completar esa distancia).

Las numerosas comprobaciones realizadas desde entonces han demostrado que, una vez corregida la mala conexión, no se produce el desfase entre los neutrinos y la luz. Esto indica que, casi con seguridad, todo el revuelo científico organizado alrededor de este descubrimiento fue consecuencia de un fallo.

A pesar de toso, siguen las comprobaciones y se están diseñando nuevos experimentos para seguir estudiando el problema, por lo que aún no se puede dar por cerrado el asunto...

Neutrinos más rápidos que la luz !

De ser cierto, se tambalearía una de las bases de la teoría de la relatividad de Einstein.

Tras tres años de experimentación, científicos del CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas) acaban de publicar unos resultados que apuntan a que los neutrinos podrían viajar más rápido que la luz. Esto, si llegará a demostrarse que es correcto, constituiría uno de los hallazgos más revolucionarios de la historia de la ciencia.

Recorrido del acelerador de partículas del CERN

Los neutrinos son partículas subatómicas casi sin masa y que apenas interaccionan con la materia (podría decirse que "huyen de la materia", escapan rápidamente para evitar interaccionar con nada). Por eso, los físicos los llaman "partículas fantasmas".
Cuando se produce una supernova, la materia se fragmenta en trozos muy pequeños, apareciendo los neutrinos, que inmediatamente se alejan de la estrella en explosión.
Hace ya tiempo se había postulado la posibilidad de que fueran capaces de viajar más rápido que la luz, pues se detectaron neutrinos procedentes de una lejana estrella que explosionó, que llegaron a la Tierra unas horas antes que la luz procedente de dicha supernova.

El experimento realizado en el CERN ha consistido en medir el tiempo que estas partículas invertían en viajar desde las instalaciones de este organismo en Ginebra hasta un laboratorio italiano situado a 730 km de distancia.
Los resultados indican que los neutrinos habrían tardado 60 nanosegundos menos que la luz en recorrer ese tramo. Si tenemos en cuenta que un nanosegundo en la milmillonésima parte de un segundo (!), los neutrinos habrían tardado 0,000000006 segundos menos que la luz en recorrer 730 km. En términos de distancia, esto significaría que cuando estas partículas fueron detectadas en el laboratorio italiano, a la luz aún le faltaban por recorrer 18 m para llegar al punto de destino.
Como es lógico en ciencia, la noticia ha sido recibida con gran escepticismo por la comunidad científica, ya que los físicos afirman que es inconcebible que exista algo que pueda superar la velocidad de la luz, pues entraría en contradicción con uno de los pilares básicos de la teoría de la relatividad de Einstein, que demuestra matemáticamente que nada puede ser más veloz que la luz, pues para superar esa velocidad (300.000 km/s) un objeto debería tener una masa infinita.

Interior de las instalaciones del CERN

A pesar de ello, nada puede ser descartado en ciencia y por ello, se abre una nueva puerta en la investigación en física atómica. En los próximos años otros científicos se encargarán de repetir las mediciones, analizar los resultados en profundidad y, en caso de que resulten correctas las pruebas, emitir hipótesis que puedan explicar el fenómeno.
Una de estas hipótesis podría ser la de la velocidad superior a la de la luz, pero ya se están avanzando nuevas explicaciones, como que los neutrinos hubieran escapado antes que la luz en el punto de origen (tienen tanta tendencia a "huir" de la materia que podrían haberse adelantado en su salida). Otra explicación que se ha dejado oír es la posibilidad de que los neutrinos hubieran tomado "un atajo" y por eso habrían recorrido la distancia en menor tiempo que la luz. Es decir, es posible que existan otras dimensiones y estas partículas hayan pasado una nueva dimensión en su recorrido, que les hubiera permitido recorrer menos espacio, con lo que habrían llegado antes no por alcanzar mayor velocidad que la luz.

También se ha empezado a divagar sobre las aplicaciones prácticas que tendría tal descubrimiento (a largo plazo), apuntándose la posibilidad de viajar en el tiempo (!).
Sin embargo, los científicos se limitan a decir que, de momento, lo que cambiaría es la actual forma de entender el funcionamiento del universo y la materia a escala atómica, ya que todo ello se asienta actualmente sobre la teoría de Einstein. Las aplicaciones prácticas tardarían mucho en llegar y no es conveniente aventurar posibilidades tan extravagantes hoy día.

En todo caso, ya empiezan a obtenerse resultados interesantes a partir de las extraordinarias instalaciones construidas hace pocos años para el CERN en Ginebra. Es probable que en los años venideros asistamos a revelaciones científicas de gran trascendencia, aunque de momento no sea posible para los no científicos del ramo ver "para qué sirven" esas grandes inversiones en personal y medios técnicos.
Permaneceremos atentos.

Juan Ignacio Cirac y la "computación cuántica"

El investigador español Juan Ignacio Cirac, uno de los físicos más reconocidos en el ámbito de la computación cuántica, ha destacado que los ordenadores cuánticos abrirán la puerta a investigaciones imposibles en este momento.

Cirac, durante un curso física cuántica para no iniciados, de la Universidad Internacional Menéndez Pelayo de Santander, en verano de 2011, ha afirmado que “si pudiésemos construir un ordenador cuántico, nos daría acceso a hacer investigaciones que de otra forma serán imposibles. Podríamos simular muchas cosas que, de otra manera, no seríamos capaces de simular”.

El científico, director de la División de Física Teórica del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica de Munich (Alemania), ha explicado que ya se han construido algunos prototipos mayores que los primeros, con 16 iones, pero siguen sin ser “lo suficientemente grandes”. Según dice, habría que llegar a crear ordenadores cuánticos con “miles y miles” de partículas, 10.000 ó 100.000, para que fueran “realmente útiles”. Considera que es “muy difícil” predecir cuándo serán una realidad este tipo de ordenadores. A su juicio, podría ser dentro de 30 años, pero también en 50 ó más.

“No sería útil” como ordenador personal, porque los equipos actuales ya cubren todas las necesidades de este tipo de usuario, ha comentado Cirac. Su importancia radica en la posibilidad de realizar cálculos “muy elaborados y difíciles”, principalmente en el ámbito de la física, la química y el estudio de los materiales, para aplicarlos, por ejemplo, a la industria farmacéutica o al diseño de nuevos materiales. Otra de sus aplicaciones podría ser la de descifrar mensajes secretos. Por eso hay grupos interesados en que no se desarrolle el ordenador cuántico, y otros partidarios de que se siga avanzando para poder descifrar esos mensajes, ha explicado.

El físico, premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica en 2006, que actualmente trabaja en varias líneas de investigación, una de ellas sobre las fases de la materia a bajas temperaturas, ha restado importancia a los comentarios sobre su posible reconocimiento con el Premio Nobel de Física.

“Es un orgullo que se comente, el problema es que no lo comentan los que dan los premios”, ha bromeado Cirac, que ve “muy difícil” que se de un Premio Nobel por los trabajos en ordenadores cuánticos mientras no llegue a construirse uno. Y si se construye, señala que se lo podrían dar a él, lo mismo que a cualquier otro investigador de este campo.

La investigación en España

Respecto a la situación de la investigación en España, cree que ha cambiado “dramáticamente” en los últimos 20 ó 30 años, aunque todavía no está al nivel de otros países como Alemania o Estados Unidos, que tienen tradición investigadora “más larga” e invierten más.

Además, ha señalado que si se producen recortes se paralizan los avances. “Si hay crisis, la investigación también tiene que pagar su precio, pero lo que hace falta es que se pague de la forma más eficiente, que afecte a la investigación lo menos posible y no retrase el avance que se está produciendo en España en los últimos años”, ha subrayado.
En la actualidad, el equipo de Cirac estudia el comportamiento de la materia a temperaturas extremas.

Modificado de EFE