¿Simetría temporal? Científicos crean fase de la materia en la que el tiempo tiene 2 dimensiones.

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Al someter los qubits de un ordenador cuántico a pulsos láser basados en la secuencia de Fibonacci, los físicos demostraron una forma de almacenar información cuántica menos propensa a errores.

Para evitar la pérdida de información en los ordenadores cuánticos, los físicos han creado una posible vía utilizando pulsos láser sobre sus qubits –con un patrón inspirado en la secuencia de Fibonacci en los átomos dentro de un ordenador cuántico– que crean una simetría en el tiempo y no en el espacio, y lo hacen en dos dimensiones temporales.

Así, la notable y extraña fase de la materia, nunca antes vista, tiene las ventajas de dos dimensiones temporales a pesar de que solo existe un flujo de tiempo singular. Así informaron los físicos en Nature.

Según los científicos, el rasgo de esta peculiaridad de la mecánica cuántica hace que los qubits sean más robustos. Así se vuelven capaces de permanecer estables durante todo el experimento, donde la información puede existir sin confundirse durante mucho más tiempo. Este sería un hito importante para hacer viable la computación cuántica.

Coherencia cuántica en el tiempo

Esta estabilidad se denomina coherencia cuántica y es uno de los principales objetivos de un ordenador cuántico sin errores, y uno de los más difíciles de conseguir. Así, este avance podría suponer una gran a mejoría en comparación con las configuraciones convencionales utilizadas actualmente en los ordenadores cuánticos.

El trabajo representa “una forma completamente diferente de pensar en las fases de la materia”, afirmó el físico cuántico computacional Philipp Dumitrescu, del Instituto Flatiron, autor principal de un nuevo artículo que describe el fenómeno.

“Llevo más de cinco años trabajando en estas ideas teóricas, y ver que se hacen realidad en los experimentos es emocionante”, agregó.

Dumitrescu y sus colegas crearon una línea de 10 iones de iterbio. Cada uno de los cuales es mantenido por campos eléctricos en una trampa de iones y puede servir como un “qubit” individual.

Como en todos los ordenadores cuánticos, los qubits pueden, al igual que los bits de ordenador ordinarios, estar en un estado 1 o 0. Pero además pueden existir en una superposición de ambos, con el estado manipulado por los pulsos de láser.

Difícil coherencia en qubits actuales

No obstante, hay un problema con los actuales qubits para almacenar y manejar la información: la interacción entre qubits y su entorno puede alterar sus estados, lo que provoca problemas y errores.

En otras palabras, la naturaleza borrosa e inestable de una serie de qubits depende, entre otras, de cómo se relacionan sus estados indecisos entre sí, una relación llamada entrelazamiento.

“Aunque se mantengan todos los átomos bajo un estricto control, pueden perder su carácter cuántico al hablar con su entorno, calentarse o interactuar con cosas de forma no prevista”, explica Dumitrescu. “En la práctica, los dispositivos experimentales tienen muchas fuentes de error que pueden degradar la coherencia tras unos pocos pulsos de láser”.

Por ello, los científicos buscaban formas de hacer más robustos estos qubits. Para conseguirlo, los físicos pueden utilizar propiedades que aguanten los cambios, como las “simetrías”.

Simetría extra: cuasicristal en el tiempo y no en el espacio

Dumitrescu y su equipo utilizaron la creación de un cuasicristal en el tiempo y no en el espacio y procedieron a desarrollar un régimen de pulsos láser cuasiperiódicos basado en la secuencia de Fibonacci.

“En dicha secuencia, cada parte de la misma es la suma de las dos partes anteriores (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.). Esta disposición, al igual que un cuasicristal, se ordena sin repetirse. Y, al igual que un cuasicristal, es un patrón 2D aplastado en una sola dimensión”, dice el comunicado de la institución.

Ese aplanamiento dimensional resulta teóricamente en dos simetrías temporales en lugar de una sola: el sistema obtiene esencialmente una simetría extra de una dimensión temporal adicional inexistente”, explican

Progreso significativo

Cuando los iones de iterbio se expusieron a esta secuencia similar a la de Fibonacci –la secuencia original de Fibonacci suele representarse como 1, 1, 2, 3, 5, 8…, mientras que el equipo utilizó una serie de pulsos A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA–, los qubits de cada extremo de la línea mantuvieron sus superposiciones durante 5,5 segundos, un progreso significativo en el mundo de los tiempos de coherencia.

“Con esta secuencia casi periódica, hay una evolución complicada que anula todos los errores que viven en el borde”, dijo Dumitrescu. “Por eso, el borde se mantiene coherente desde el punto de vista mecánico-cuántico mucho, mucho más tiempo de lo que cabría esperar”.

Otras pruebas realizadas por los físicos demostraron que la nueva fase de la materia puede actuar como almacenamiento de información cuántica a largo plazo. Sin embargo, los investigadores todavía tienen que integrar funcionalmente la fase con la parte computacional de la informática cuántica.

Imagen de portada: Pixabay

FUENTE RESPONSABLE: biobioChile.cl – Información brindada por Deutsche Welle. Por Sara Jerez. 22 de julio 2022

Física/Física cuántica/Ciencia/Tecnología/Simetría temporal.

Un grupo de físicos han ideado una forma de ver el escurridizo ‘efecto Unruh’ en un laboratorio.

Este efecto análogo de la radiación de Hawking ha sido predicho pero nunca se ha visto en la realidad.

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Un equipo de físicos dice que ha descubierto dos propiedades de la materia acelerada que creen que podrían hacer visible un tipo de radiación nunca antes observado. Estas propiedades descritas recientemente implican que la observación de la radiación, llamada efecto Unruh, podría hacerse en un laboratorio normal.

En teoría, el efecto Unruh en la naturaleza requeriría una cantidad ridícula de aceleración para ser visible, y debido a que solo es visible desde la perspectiva del objeto que acelera en el vacío, es esencialmente imposible de ver. Pero gracias a unos nuevos avances, podría ser factible presenciar el efecto Unruh en un laboratorio.

En esta nueva investigación, un equipo de científicos describe dos aspectos previamente desconocidos del campo cuántico que podrían significar que el efecto Unruh podría ser observado directamente. La primera es que el efecto puede ser estimulado, lo que significa que este débil efecto podría volverse visible bajo ciertas condiciones. El segundo fenómeno es que un átomo acelerado lo suficientemente excitado puede volverse transparente. La investigación ha sido publicada esta primavera en Physical Review Letters.

El efecto Unruh (también llamado efecto Fulling-Davies-Unruh, por los físicos que propusieron por primera vez su existencia en la década de 1970) es un fenómeno predicho por la teoría cuántica de campos, que establece que una entidad (ya sea una partícula o una nave espacial) acelerando en el vacío brillará, aunque ese brillo no sería visible para ningún observador externo que no esté acelerando también en el vacío.

“Lo que significa la transparencia inducida por la aceleración es que hace que el detector de efectos Unruh sea transparente para las transiciones cotidianas, debido a la naturaleza de su movimiento”, nos explicaba Barbara Šoda, física de la Universidad de Waterloo y autora principal del estudio. Así como los agujeros negros emiten radiación de Hawking cuando su gravedad atrae partículas, los objetos emiten el efecto Unruh cuando aceleran en el espacio.

Hay un par de razones por las que el efecto Unruh nunca se ha observado directamente. Por un lado, el efecto requiere una cantidad ridícula de aceleración lineal para que tenga lugar: para alcanzar una temperatura de 1 kelvin, a la que el observador que acelera vería un resplandor, el observador tendría que estar acelerando a 100 quintillones de metros por segundo al cuadrado. El brillo del efecto Unruh es térmico; si un objeto acelera más rápido, la temperatura del resplandor será mayor.

Se han sugerido métodos anteriores para observar el efecto Unruh. Pero este equipo cree que tiene una gran oportunidad de observar el efecto, gracias a sus hallazgos sobre las propiedades del campo cuántico.

“Nos gustaría construir un experimento dedicado que pueda detectar inequívocamente el efecto Unruh y luego proporcionar una plataforma para estudiar varios aspectos asociados”, dijo Vivishek Sudhir, físico del MIT y coautor del trabajo. “Inequívoco es el adjetivo clave aquí: en un acelerador de partículas, son realmente montones de partículas las que se aceleran, lo que significa que inferir el sutil efecto Unruh de entre todas las interacciones entre partículas en un grupo se vuelve muy difícil”.

“En cierto sentido”, concluyó Sudhir, “necesitamos hacer una medición más precisa de las propiedades de una sola partícula acelerada bien identificada, que no es para lo que están hechos los aceleradores de partículas”.

Predecimos que la radiación de Hawking es emitida por los agujeros negros, como estos dos fotografiados por el Telescopio del Horizonte de Sucesos. Imagen: EHT Collaboration

La esencia de su experimento propuesto es provocar el efecto Unruh en un entorno de laboratorio, utilizando un átomo como detector del efecto Unruh. Al acribillar a un solo átomo con fotones, el equipo elevaría la partícula a un estado de mayor energía, y su transparencia inducida por la aceleración silenciaría la partícula ante cualquier ruido cotidiano que opacaría la presencia del efecto Unruh.

Al golpear la partícula con un láser, “aumentará la probabilidad de ver el efecto Unruh, y la probabilidad aumentará según la cantidad de fotones que tengas en marcha”, dijo Šoda. “Y ese número puede ser enorme, dependiendo de cómo de fuerte fuerte sea el láser que tengas”. En otras palabras, debido a que los investigadores podrían acribillar una partícula con un billón de fotones, aumentaría mucho la probabilidad de que tenga lugar el efecto Unruh.

Debido a que el efecto Unruh es análogo a la radiación de Hawking en muchos aspectos, los investigadores creen que las dos propiedades del campo cuántico que han descrito recientemente podrían usarse para estimular la radiación de Hawking e implicar la existencia de transparencia inducida por la gravedad. Dado que nunca se ha observado la radiación de Hawking, desentrañar el efecto Unruh podría ser un paso que nos ayudase a comprender mejor el brillo teórico alrededor de los agujeros negros.

Por supuesto, estos hallazgos se quedarían un poco en agua de borrajas si finalmente el efecto Unruh no se puede observar directamente en un laboratorio como habían predicho. Pero ahora queda por ver cuándo llevarán a cabo este experimento y si han acertado o no con sus cálculos.

Imagen de portada: Karl Gustafson

FUENTE RESPONSABLE: Gizmodo. Por Bylsaac Schultz. 20 de julio 2022.

Sociedad/Ciencia/Física cuántica/Investigación

 

 

El tiempo corre en dos sentidos, según Julian Barbour.

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Las tesis de Julian Barbour son tan sorprendentes como fascinantes. Sin coger la lupa puede darnos la sensación de que su discurso no es más que un cuento, pero si la cogemos no podremos evitar sorprendernos al ver cómo la realidad encaja con sus hipótesis…

Desde que la física cuántica hizo su aparición no ha dejado de sorprendernos.

Julian Barbour es un digno representante de este enfoque y desde hace varias décadas estudia uno de los conceptos más enigmáticos del universo: el tiempo. Su teoría es fascinante.

Según Julian Barbour, el tiempo corre en dos sentidos a la vez

Imaginemos que cada sentido es una flecha cuyo origen es el cero. Mientras la flecha de la derecha aumenta paulatinamente hasta el infinito, la de la izquierda apuntaría hacia un infinito negativo.

Dicho de una forma más simple, lo que Julian Barbour propone es que hay un universo en el que el tiempo corre desde lo que llamamos el pasado hacia lo que llamamos el futuro. Mientras tanto, en otro universo ocurre lo contrario: el tiempo avanza desde el futuro hacia el pasado. ¿Ciencia ficción? No, es una teoría científica seria.

“Si no pasara nada, si nada cambiara, el tiempo se detendría. Porque el tiempo no es más que cambio. Es el cambio que vemos que ocurre a nuestro alrededor, no el tiempo. De hecho, el tiempo no existe”.

-Julian Barbour-

Vídeo

Julian Barbour – What is Time?

El universo y la gran explosión

La teoría más aceptada sobre el comienzo del universo postula que se originó hace poco menos de 14 mil millones de años a partir de un elemento más minúsculo que un átomo. Así se formaría toda la materia que compone el universo.

Esa materia comenzó a expandirse, una tendencia que hoy se mantiene. La explosión también habría dado origen al tiempo, que desde entonces habría comenzado a contar. Las partículas de materia, disparadas en múltiples direcciones, fueron agrupándolos y formaron las estrellas, los planetas y las galaxias.

Según esta teoría, el tiempo se mueve en una sola dirección: hacia adelante. Al respecto, Julian Barbour y otros físicos se han preguntado: ¿por qué si el universo se expande hacia todas partes, el tiempo solo avanza en una dirección? Las posibles respuestas a esta pregunta dieron origen a la tesis de que el tiempo corre en dos sentidos.

Julian Barbour y el tiempo

Julian Barbour es un físico veterano, profesor de la Universidad de Oxford y autor de varios libros de divulgación. Su prestigio es incuestionable. Ha estudiado a fondo el tema del tiempo y a partir de esto ha planteado su interesante teoría. El postulado básico que propone dice que el tiempo corre en dos direcciones a la vez.

Barbour dice que la gran explosión original hizo que comenzara a avanzar en sentidos opuestos, ya que eso es lo propio de una explosión semejante. Su idea se basa en dos principios de la física: la entropía y la segunda ley de la termodinámica.

La entropía es un concepto equivalente al caos. La física señala que la realidad, o más bien los sistemas que la componen, avanzan hacia el caos. A su vez, el caos es irreversible. Un ejemplo de esto sería una casa que es abandonada y se cae. El proceso va hasta que se derrumba y es imposible volver atrás. El derrumbe es el estado más caótico posible.

Ahora bien, la segunda ley de la termodinámica dice que la entropía solo puede aumentar, pero nunca disminuir. A su vez, el tiempo avanza en el mismo sentido en el que aumenta la entropía. Así, en el ejemplo anterior, una vez la casa es abandonada y comienza a deteriorarse, cada vez es más probable que se derrumbe.

Hombre debajo de un reloj

El incremento de la complejidad

Julian Barbour dice que todo lo anterior se ha establecido así porque se ha observado en un contexto, podríamos decir, “normal”. El de nuestro planeta, nuestra materia, nuestras dimensiones, etc. Si se mira en términos del universo como un todo, aparece un nuevo enfoque.

Supongamos que la casa derruida de la que hablamos está en el marco de un espacio infinito. Al derrumbarse, las partículas que la componen viajarían en diferentes direcciones, se juntarían con otras partículas y formarían nuevas estructuras. Estas serían más complejas.

Barbour trabaja con dos ideas básicas. El Big-Bang produjo que la materia y el tiempo se desplazaran en dos direcciones opuestas. Por lo tanto, existiría una especie de “universo espejo”. Lo que se espera en ese universo es el pasado, porque todo ocurre al revés de nuestro universo. De una forma simple, lo que hay en ese horizonte es un avance hacia el año cero.

De otra parte, y a diferencia de lo que la física plantea habitualmente, todo el universo no avanza hacia el caos definitivo, hacia el desorden total. Más bien, dicho universo será cada vez más complejo y estructurado. Quizás tenga razón.

Imagen de portada: Ilustración del tiempo.

FUENTE RESPONSABLE: La Mente es Maravillosa. Por Edith Sanchez. 3 de julio 2022.

Sociedad y Cultura/Física cuántica/El tiempo/Teorias

 

 

 

 

 

 

 

Investigadores australianos crean el primer chip cuántico de la historia: está hecho de silicio.

Dirigidos por la física Michelle Simmons, constituye un paso trascendental en el trabajo cuántico para comprender el mundo que nos rodea.

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Un grupo de investigadores australianos, dirigidos por la física Michelle Simmons, creó el primer chip cuántico de la historia.

Gracias a él, podrá analizarse incluso en la escala más pequeña el mundo que nos rodea.

La física cuántica explica el átomo, el enlace químico, las moléculas y la interacción de la luz con las partículas, pero cuenta también con importantes aplicaciones tecnológicas, como la labor con computadoras.

El chip cuántico de Silicon Quantum Computing está hecho con silicio, debido a la facilidad con la que se puede mantener controlado un qubit en él.

Michelle Simmons, la científica detrás del logro.

“Las computadoras clásicas de hoy luchan para simular incluso moléculas relativamente pequeñas debido a la gran cantidad de posibles interacciones entre los átomos”, afirmó Simmons en un comunicado citado por Information Age.

“El desarrollo de la tecnología de circuitos a escala atómica de SQC permitirá a la empresa y a sus clientes construir modelos cuánticos para una gama de nuevos materiales, ya sean productos farmacéuticos, materiales para baterías o catalizadores”.

Y advierte la investigadora: “No pasará mucho tiempo antes de que podamos comenzar a darnos cuenta de nuevos materiales que nunca antes habían existido”.

El trabajo con el chip cuántico

Simmons y sus compañeros tienen más de 20 años trabajando en la tecnología cuántica, y nueve específicamente en el chip cuántico mostrado esta semana en la revista Nature.

El equipo no solo creó el procesador cuántico funcional, sino que también lo probó exitosamente, modelando una molécula en la que cada átomo posee múltiples estados cuánticos, algo muy difícil de lograr con una computadora tradicional.

En 2012 se construyó el primer transistor cuántico: este es un dispositivo pequeño que controla las señales electrónicas, formando una parte de un circuito de computadora. Lo alcanzado por Simmons y compañía es un circuito integrado, mucho más complejo, ya que une varios transistores.

Para lograr el primer circuito integrado cuántico, explica la compañía en su portal, SQC requirió la realización de tres hazañas tecnológicas separadas de la ingeniería atómica.

  1. Crear puntos tan pequeños de átomos de tamaño uniforme para que sus niveles de energía se alinearan y los electrones pudieran atravesarlos fácilmente.
  2. Lograr la capacidad de ajustar los niveles de energía de cada punto individualmente, pero también de todos los puntos colectivamente, para controlar el paso de la información cuántica.
  3. La capacidad de los equipos para controlar las distancias entre los puntos con precisión sub nanométrica para que los puntos estuvieran lo suficientemente cerca pero permanecieran independientes para el transporte cuántico coherente de electrones a través de la cadena.

“Uno de los santos griales siempre ha sido hacer un superconductor de alta temperatura”, señala Simmons en entrevista con Science Alert. “La gente simplemente no conoce el mecanismo de cómo funciona”.

Ahora se abre una nueva puerta en el mundo de la física cuántica. En pocos años, según subrayan los investigadores, se conocerán mayores resultados.

Imagen de portada: El chip cuántico de SQC

FUENTE RESPONSABLE: Fayer Wayer. Por Kiko Perozo. Junio 2022

Sociedad/Ciencia/Tecnología/Física cuántica

La física de los viajes en el tiempo explicada por dos de los mejores físicos teóricos. PARTE 2/2

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Las ecuaciones de Einstein permiten los atajos en el continuo espacio-tiempo.

«Para hablar de los agujeros de gusano tenemos que recurrir, además de a la geometría, a algo aún más perverso llamado topología. Supongamos que tengo una hoja de papel y que la enrollo para darle forma de cilindro. Si inicialmente hubiese dibujado un triángulo en la hoja de papel sus ángulos después de enrollarla para constituir con ella un cilindro continuarán sumando 180 grados. Esto me está indicando que este espacio parece curvo porque lo he metido en un espacio tridimensional, que es el que tengo en mi cilindro. Lo más curioso es que puedo hacer una cosa todavía más perversa: convertir el cilindro en una rosquilla, cerrándolo», nos explica Álvaro.

«Al hacerlo me daré cuenta de que ahora tiene un agujero, y este orificio es importante porque es una propiedad topológica del objeto con el que estamos trabajando que no puedo borrar. Es obvio que hay una diferencia importante entre espacios planos y espacios como el de nuestra rosquilla, que, a pesar de ser planos, tienen agujeros. Los agujeros de gusano tienen mucho que ver con esto. Si tomo de nuevo una hoja de papel, que es un espacio plano, y le dibujo dos puntos separados por una cierta distancia, de manera que representen dos puntos del espacio-tiempo, puedo doblarlo con el propósito de que un punto quede encima del otro».

«Ahora dos puntos que estaban muy alejados en el espacio-tiempo resulta que están muy cerca, uno encima del otro. Si cojo una aguja y hago un agujero en la hoja para que un punto llegue al otro habré construido una especie de puente entre ellos. Desde un punto de vista geométrico esto es un agujero de gusano, de modo que se trata de un objeto que pone en contacto cercano dos puntos que inicialmente podían estar muy distantes en el espacio-tiempo. En realidad lo que he hecho es darle una topología nueva, de modo que mi espacio-tiempo ya no tiene una topología sencillísima; tiene una más complicada».

«Si ahora extiendo el plano de nuevo lo que sucederá es que el agujero de gusano se transformará en una especie de asa, y esta asa tiene un agujero. Todas las ideas en las que podemos indagar acerca de los agujeros de gusano tienen que ver con estas topologías complicadas en las que hay asas y agujeros. La teoría de la relatividad general consiste en una ecuación fundamental que todo el mundo ha visto en algún lugar, y esta ecuación tiene varias soluciones. Precisamente, algunas de estas soluciones describen los agujeros de gusano, y han sido comprobadas con mucha precisión, pero siempre localmente. Alrededor de un punto. Hasta ahora los físicos no hemos podido comprobar las soluciones de la ecuación que tienen que ver con estos espacios que conectan puntos a gran distancia».

José Luis recoge el testigo de Álvaro recordándonos la descomunal cantidad de energía que necesitamos para acelerar un objeto macroscópico con el propósito de que alcance una velocidad cercana a la de la luz. Solo así podríamos observar un desfase temporal claramente perceptible:

«La fórmula que describe este fenómeno requiere que para que el retraso temporal sea apreciable te acerques mucho a la velocidad de la luz. Y hacerlo con un objeto material y macroscópico es muy difícil porque necesitas unas energías bestiales. Ningún objeto con estas características consigue acercarse a la velocidad de la luz excepto cuando tienes dos agujeros negros que están a punto de colisionar, o una estrella de neutrones. Pero son sistemas muy extremos. Además, cuando desarrollas la teoría te das cuenta de que esa velocidad absoluta es también una velocidad límite. Para alcanzar la velocidad de la luz necesitas energía infinita».

«Esto quiere decir que cada vez cuesta más acelerar un objeto, de manera que el último 1% es mucho más costoso que el primer 1%, por lo que la velocidad de la luz establece un límite para los objetos con masa. Lo interesante es que si pudieses enviar una señal de información más rápido que la velocidad de la luz la teoría nos dice que otro observador que se está moviendo con una cierta velocidad respecto a ti podría verlo invertido en el tiempo. Podría ver que la información va hacia atrás en el tiempo. Este fenómeno tiene una consecuencia muy significativa: si fuésemos capaces de superar la velocidad de la luz podríamos enviar señales al pasado», puntualiza José Luis.

El experimento Muon g-2 encuentra fuertes evidencias de una nueva física – Vídeo Dailymotion

«En este contexto el método obvio de enviar señales al pasado, o la forma ‘pobre’ de viajar al pasado debido a que si no puedes hacerlo tú al menos podrías enviar una señal para que ocurra algo que te afecte, requeriría superar la velocidad de la luz. El problema es que la teoría no nos permite hacerlo utilizando este método de ‘fuerza bruta’ debido a que, como hemos visto, necesitamos energía infinita. Todo lo que acabamos de ver describe el funcionamiento del espacio-tiempo normal y corriente, que es plano y tiene una geometría trivial en la que los triángulos rectángulos satisfacen el teorema de Pitágoras».

«Lo que sucede es que cuando tienes campos gravitacionales muy intensos el espacio se deforma, por lo que nos podemos preguntar si ese grado de deformación puede ser tan radical para crear atajos que te permitan ir de un sitio a otro más rápido. Incluso es razonable preguntarse si esos atajos pueden llevarnos al pasado. Estas ideas son muy especulativas, pero se apoyan en unas soluciones de las ecuaciones de Einstein que lo permiten. El problema es que esta propuesta no puede ser utilizada para escribir el guion de una película de ciencia ficción que sea interesante».

«De todas las soluciones de las ecuaciones de Einstein que sugieren la aparición de un bucle temporal que puede ser utilizado por una partícula para regresar al pasado se desprende que la partícula olvida que viene del futuro. Son unas soluciones tan especiales, tan cristalinas, que si las tocas un poco se desmoronan. Son como un castillo de naipes. De esta forma, ninguna solución de las ecuaciones permite que la partícula haga algo diferente más allá de repetirse a sí misma, como, por ejemplo, recordar que viene del futuro gracias a su propio mecanismo interno, debido a que cada copia tiene una energía ligeramente diferente. La partícula es distinta cada vez que recorre el bucle».

«La energía de cada copia de la partícula curva el espacio de una forma ligeramente diferente, y al hacerlo el bucle se desmorona porque ya no estamos frente a un fenómeno periódico. De alguna forma es como si el bucle no se cerrara. Es como si tienes un rollo de papel higiénico que está constantemente enrollándose porque en cada vuelta es ligeramente diferente. No lo puedes pegar y decir que es el mismo. En definitiva, todas las soluciones de las ecuaciones de Einstein que permiten la existencia de estos objetos, conocidos como curvas temporales cerradas, que es lo más próximo que tenemos a un viaje en el tiempo, provocan que la partícula o el objeto que viaja se esté repitiendo a sí mismo continuamente», concluye José Luis.

Los agujeros de gusano no sirven para viajar al pasado

José Luis continúa su explicación invitándonos a adentrarnos en el inquietante mundo de las paradojas desencadenado por la posibilidad de viajar a nuestro pasado:

«Lo que hemos visto hasta ahora no se opone a algunas posibilidades interesantes. Si realmente viajas al pasado te puedes encontrar contigo mismo cuando eras más joven. Te encuentras con una copia de ti mismo, de manera que si decides matarla se produciría una inconsistencia con el hecho de que tú hayas podido venir del futuro. Si todo lo que vas a hacer es periódico, es trivial, como lo que sucede en la película ‘Atrapado en el tiempo, no hay ninguna contradicción. La cuestión es si hay situaciones en las que puedes hacer algo interesante que sea consistente».

«El número de posibles historias consistentes si tienes bucles cerrados en el tiempo es mucho más pequeño que si no los tienes. Y cuanto más complicado sea el sistema más difícil va a ser que sean consistentes con el viaje en el tiempo»

«Una posibilidad sería que al viajar al pasado y encontrarte con tu yo más joven rebusques en tus recuerdos para ver si te acuerdas de haber visto a un tipo que se parecía mucho a ti, solo que parecía más viejo, te llamó la atención, y luego te olvidaste de él. Podrías llegar a recordarlo, hipotéticamente, y esta sería una historia posible y compatible. No ha pasado nada. No hay ninguna contradicción. El recuerdo estaba ahí. Lo habías olvidado, pero lo puedes recuperar», puntualiza José Luis.

«Lo interesante de este tipo de viajes en el tiempo es que no son inconsistentes. Sin embargo, el número de historias que son compatibles y no son inconsistentes es mucho más pequeño si tienes el fenómeno de los bucles debido a que hay miles de maneras de estropearlos. O bien de generar una pequeña perturbación que tenga un efecto futuro que impida que entres en el bucle».

Esta ilustración de Álvaro nos muestra la peculiar topología que adquiere un cilindro si lo cerramos sobre sí mismo. Indagar en la geometría del espacio-tiempo es importante para entender mejor las propiedades de los agujeros de gusano.

«El número de posibles historias consistentes si tienes bucles cerrados en el tiempo es mucho más pequeño que si no los tienes. Y cuanto más complicado sea el sistema más difícil va a ser que sean consistentes con el viaje en el tiempo. Para una partícula elemental puede ser fácil porque es tan simple que hace muy pocas cosas. Básicamente lo único que hace es girar sobre sí misma e ir de un lado para otro. Por esta razón, para una partícula viajar hacia atrás en el tiempo es, en vez de ir de A a B, ir de B a A. Y en vez de girar en el sentido de las agujas del reloj, girar en sentido contrario».

«En cualquier caso, no es la misma sensación que tienes cuando ves que una taza de café se cae de la mesa y se desparrama. Si ves este fenómeno hacia atrás en el tiempo ves una cosa muy rara en la que miles de millones de moléculas se ponen de acuerdo de una forma sincronizada para volver a constituir la taza», argumenta el director del IFT.

«Esta es la razón por la que se cree que si alguna vez se pudiesen formar este tipo de bucles para ser consistentes tendrían que dar lugar a historias como la de la película ‘Atrapado en el tiempo’. El problema es que nadie sabe cómo hacer estas cosas, y no es un problema tecnológico; es posible que las leyes de la física lo prohíban. De hecho, los agujeros de gusano que podemos describir conceptualmente no sirven para viajar al pasado. Al menos con los que trabajamos ahora mismo. Hay algunas construcciones que parecen ser compatibles con las teorías que tenemos, pero en ningún caso son atajos».

«Imaginemos que construimos un agujero de gusano para viajar de aquí a Andrómeda utilizando alguno de los modelos conceptuales que por el momento consideramos correctos. Si viajamos por fuera a la velocidad de la luz tardaríamos en llegar dos millones de años, pero si viajamos por el interior del agujero de gusano tardaríamos más tiempo. No son un atajo. Lo que sí podemos demostrar es que si fuésemos capaces de formar un atajo podríamos utilizarlo para viajar hacia atrás en el tiempo, aunque existen indicios de que esa construcción sería inconsistente. Esto significa que si modificamos el agujero de gusano para intentar que sea un atajo, para acortarlo por dentro, llegará un momento en el que colapsará. Y lo destruiremos».

«El origen de este colapso reside en la necesidad de utilizar energía negativa. Y es un recurso muy difícil de conseguir debido a que las partículas elementales tienen energía positiva si no les haces nada. Esto significa que tienes que colocarlas en unas situaciones muy especiales para que tengan energía negativa en unas zonas muy concretas. Sin embargo, la forma en que se curva el espacio cuando tienes energía negativa concentrada provoca que este sistema tienda a colapsar. Tiende a formarse un agujero negro. Cuando intentas manipular demasiado la energía negativa el objeto se precipita hacia el colapso».

En esta ilustración Álvaro ha recreado la forma en que un agujero de gusano conecta dos regiones del continuo espacio-tiempo que pueden estar extraordinariamente distantes.

«Hay un teorema aún sin demostrar conocido como ‘la conjetura de protección cronológica’, que es una hipótesis formulada por Stephen Hawking, que dice que no hay ningún método físico con energía finita que pueda generar curvas cerradas temporales estables de forma consistente. Actualmente la idea que propone suministrar muchísima energía a una máquina capaz de retorcer de algún modo el espacio-tiempo para formar un bucle, que es como funcionaría una máquina del tiempo, no es posible con energía finita».

«Todos los agujeros de gusano que podemos construir hoy de una manera puramente matemática son del tipo de los que no son atajos. Esto significa que ir por dentro es más largo que ir por fuera, por lo que no son muy útiles. Eso sí, parece que se pueden estabilizar. Otra opción son los agujeros de gusano que descubrieron Einstein y Rosen, conocidos como puente Einstein-Rosen, que unen dos agujeros negros. De alguna forma es como si el interior de dos agujeros negros estuviese enganchado por dentro como si fuesen dos hermanos siameses. El problema es que tampoco podemos hacer cosas divertidas con ellas porque no son atravesables. Son agujeros negros, por lo que podemos entrar por uno, pero no podríamos salir por el otro».

«Hay una conjetura, probablemente acertada, que propone que cualquier intento de construir un atajo real en el espacio-tiempo que podamos transformar en un bucle temporal está condenado al fracaso porque toda la zona colapsaría en un agujero negro antes de lograrlo. No habría una forma físicamente correcta de hacerlo a partir de un estado en el que antes no había un bucle y tienes energía finita para conseguirlo. Actualmente hay físicos teóricos que están intentando demostrar este teorema», concluye José Luis con convicción.

El cine de ciencia ficción (a veces) respeta algunas leyes de la física.

No podía concluir mi conversación con estos dos físicos teóricos dejando escapar la oportunidad de preguntarles si hay alguna película de ciencia ficción que les parece razonablemente respetuosa con las leyes de la física. Y sí, como sospechaba, las hay. De hecho, las que nos proponen son algunas de las que los entusiastas de este género cinematográfico más hemos aclamado durante los últimos años. Lo que nos cuenta José Luis es muy interesante:

«Yo creo que la película que está mejor hecha es ‘Interstellar’. Todo lo que sucede en la parte final, cuando el protagonista entra en el interior del agujero negro, es una pura elucubración. No obstante, utiliza un lenguaje que no es del todo trivial gracias en gran medida al asesoramiento de Kip Thorne».

«Yo creo que la película que está mejor hecha es ‘Interstellar’. Hay partes muy bien calculadas, aunque otras no tanto»

«Hay muchas partes de la película que están muy bien calculadas, aunque otras no tanto, como, por ejemplo, las fuerzas de marea que actúan sobre el planeta que está sometido al intenso campo gravitacional del agujero negro. Si asumimos que ese planeta lleva ahí millones de años lo natural es que esté sometido al mismo efecto que actúa sobre la Luna, por lo que siempre ofrecería la misma cara al agujero negro y no habría mareas».

«Otra película que está muy bien es Gravity’ porque la física de la microgravedad está muy bien hecha, aunque hay partes en las que también le han echado mucha imaginación. También me gusta ‘Marte’ porque la parte de los cálculos que tiene que hacer para sobrevivir tiene sentido, aunque, de nuevo, hay otras partes que no se pueden justificar desde un punto de vista científico. Incluso ‘Atrapado en el tiempo’ ilustra bastante bien la idea de que si tuviésemos una máquina del tiempo casi con toda seguridad sería aburridísima porque estaríamos repitiendo lo mismo constantemente», sentencia José Luis soltando una sonora carcajada.

Imagen de portada: Jordan Benton

FUENTE RESPONSABLE: Xataka. Por Álvaro de Rújula y José Luis F. Barbón.

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Agujero de gusano/ Puente de Einstein-Rosen.

La física de los viajes en el tiempo explicada por dos de los mejores físicos teóricos. PARTE I

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Explicar qué dice la física actual acerca de la posibilidad de viajar en el tiempo sorteando las ecuaciones matemáticas y los conceptos más complejos es un auténtico reto. Sin embargo, estamos convencidos de que es posible hacerlo de una forma didáctica que cualquier persona con curiosidad puede seguir sin necesidad de conocer minuciosamente qué propone la teoría general de la relatividad.

Afortunadamente, no hemos abordado este desafío solos; hemos contado con la ayuda de dos físicos teóricos españoles expertos en esta materia. Ambos tienen mucha experiencia en el ámbito de la investigación y una capacidad didáctica que está fuera de toda duda. Álvaro de Rújula es un prestigioso físico de partículas que, entre muchos otros logros, ha dado clase en Harvard y ha liderado la división de física teórica del CERN. Incluso ha tenido la oportunidad de viajar en el tiempo para hablar cara a cara con Albert Einstein (en la ficción y con mucha gracia, claro).

El currículo de José Luis F. Barbón es igualmente impresionante. Este físico teórico es un experto en teoría cuántica de campos, gravedad cuántica y agujeros negros, entre otras materias. Ejerce como investigador en el CSIC, y actualmente dirige el Instituto de Física Teórica (IFT), una institución en la que trabaja mano a mano con Álvaro y otros investigadores. Como estáis a punto de comprobar, ambos tienen una vocación didáctica muy evidente, por lo que sus conferencias (algunas están disponibles en YouTube) son muy disfrutables.

Indagar de una forma rigurosa en la física de los viajes en el tiempo requiere que coqueteamos con la geometría del continuo espacio-tiempo. Y también con la teoría general de la relatividad. Es un terreno profundamente hipotético y especulativo, pero, aun así, la física teórica nos propone algunas respuestas extraordinariamente interesantes. Y sorprendentes. Pero lo mejor de todo es que recorrer este camino de la mano de estos dos físicos es una experiencia irrepetible. Prometido.

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La velocidad de la luz es absoluta.

No hay mejor forma de iniciar nuestro viaje que intentando afianzar nuestra percepción acerca del continuo espacio-tiempo y repasando la que sin duda es la propiedad más asombrosa de la luz: la invariabilidad de su velocidad en un medio determinado independientemente del estado de movimiento o reposo de la fuente que la emite y del observador. Este atributo es patrimonio exclusivo de la luz, por lo que no lo comparte con ningún otro objeto del universo. Álvaro nos los explica de una forma asequible:

«El espacio y el tiempo son tan fundamentales que podemos hablar de ellos, pero sin llegar a identificar con la máxima precisión qué son en realidad. Podríamos asimilar el espacio a una especie de conjunto de fichas de dominó, de manera que podemos pegar unas a otras en un plano y después colocar otro plano encima construido de la misma manera. Obviamente el espacio realmente no es así, pero este símil puede ayudarnos a entender de alguna forma su naturaleza», puntualiza.

«En cualquier caso, lo primero que podemos hacer es intentar entender la relación que existe entre el espacio y el tiempo. Si tenemos un espacio plano y en él hay dos hormigas podemos dibujarlas en un cierto instante del tiempo, y luego en un instante posterior podemos dibujar un plano encima con las mismas dos hormigas, pero colocadas en posiciones diferentes. De esta forma podríamos construir una especie de sándwich en el que el espacio discurre en la dirección horizontal de mi dibujo, y el tiempo en la vertical».

«No obstante, lo que acabamos de hacer es más que un simple dibujo. Desde finales del siglo XIX y culminando con el trabajo de Einstein de 1905 (la teoría especial de la relatividad), sabemos que hay algo muy curioso que relaciona el espacio y el tiempo: existe una velocidad máxima. No puedes viajar a una velocidad superior a la de la luz. Si tengo un cohete con un señor dentro que está avanzando a 10 km/h respecto al cohete, y el cohete con respecto a mí que estoy en la Tierra también está avanzando a 10 km/h, el señor con respecto a mí avanza a 20 km/h si tanto él como el cohete se desplazan en la misma dirección».

«Sabemos que hay algo muy curioso que relaciona el espacio y el tiempo: existe una velocidad máxima. No puedes viajar a una velocidad superior a la de la luz».

«Esta idea es intuitiva, pero, sin embargo, si la velocidad del cohete fuese 3/4 partes de la velocidad de la luz, y la del señor del interior del cohete en relación al propio cohete también fuese 3/4 partes de la velocidad de la luz, al observarlos desde fuera yo creería que el señor avanzaría a una velocidad de 3/4+3/4 de la velocidad de la luz. Es decir, al 150% de la velocidad de la luz, que es una cantidad mayor que la velocidad de la luz. Sin embargo, este cálculo está mal hecho. En realidad, nuestro universo no funciona así. Si hacemos el cálculo correctamente la velocidad total del señor del interior del cohete con respecto a mí será un poco inferior a la velocidad de la luz», concluye Álvaro.}

Esta ilustración elaborada por Álvaro refleja la suma de velocidades que hemos descrito en el ejemplo del cohete cuando ambos objetos se desplazan a una velocidad inferior a la de la luz.

José Luis prosigue la explicación de Álvaro proponiéndonos otro experimento mental que también puede resultarnos útil para interiorizar esta crucial propiedad de la luz antes de continuar nuestro viaje:

«En la física a la que estamos acostumbrados no pensamos que el ritmo de un reloj dependa de su movimiento. Si sincronizamos dos relojes y nos llevamos uno en un viaje en tren para posteriormente volver a reunirlos, el desplazamiento a cierta velocidad de uno de ellos no parece tener ningún efecto en la sincronización. En la física newtoniana, la de antes de la relatividad, el tiempo es absoluto. Esto significa que el ritmo de un reloj ideal que ni se atrasa ni se adelanta es el mismo en todas partes. Es universal. No depende de dónde está el reloj, y tampoco de su estado de movimiento».

«Para describir los fenómenos de nuestra vida cotidiana no necesitamos cambiar esta hipótesis simplificadora. Sin embargo, lo que descubrió Einstein es que esto no es correcto. A finales del siglo XIX los físicos se pusieron a estudiar con más detalle la luz, y se dieron cuenta de que su velocidad es rara porque es absoluta. Esto quiere decir que da igual cómo la midas, e incluso si te mueves respecto a la fuente, o si es la fuente la que se mueve respecto a ti; siempre obtienes la misma velocidad. Esto para ellos fue muy chocante porque todas las velocidades son relativas. Si voy por la autopista y un coche me adelanta lo veo adelantarme despacio, pero si estoy quieto en el arcén lo veo pasar a toda velocidad», asevera José Luis.

«Al combinarlas las velocidades se suman o se restan, pero que haya un objeto, que es la luz, con una velocidad absoluta es chocante. Los experimentos indicaban que esto es así, pero no se entendía. Einstein observó que, efectivamente, el espacio es obviamente relativo en el sentido de que la distancia que recorre un objeto depende del lugar desde el que estoy mirándolo. Si voy al encuentro de ese objeto la distancia que me separa de él es más corta. Esto significa que el espacio es relativo desde el punto de vista del observador. A partir de esta reflexión Einstein concluyó que si el espacio es relativo y el tiempo es absoluto, entonces su cociente es relativo».

«En este contexto si quiero que el cociente entre el espacio y el tiempo para un cierto fenómeno sea un valor absoluto tengo que hacer el tiempo relativo también. De esta forma las dos relatividades, la del tiempo y la del espacio, se cancelan. Einstein se dio cuenta de cómo debe variar el tiempo de acuerdo con el estado de movimiento del observador para que la velocidad de la luz sea siempre la misma. Esto es, en definitiva, lo que se observaba en los experimentos. A partir de aquí en vez de intentar demostrar que la luz tiene una velocidad absoluta, algo que parece imposible a partir de la teoría newtoniana, decidió asumir que existe una velocidad absoluta y comprobar si esto es consistente con todo lo demás».

«Entonces se dio cuenta de que la física no se destruía ni se volvía inconsistente. De hecho, se percató de que podía reconstruir todo su armazón asumiendo que existía una velocidad absoluta y sin que por ello se produjesen inconsistencias. Lo único que sucedía era que había unas fórmulas que tenían unas modificaciones que se hacían visibles a velocidades cercanas a la de la luz. Cuanto más rápido iba un objeto comparado con la velocidad de la luz, más se parecía su movimiento al de la luz, y más efectiva era la relatividad del tiempo desde el punto de vista de que los relojes no marchan igual si se están moviendo».

«La clave es que para encajar todo esto Einstein decidió modificar el concepto del tiempo. En su teoría el ritmo del tiempo depende del estado de movimiento de un objeto, pero también depende de si estás en un campo gravitacional intenso. Si estás en uno de ellos, aunque estés parado, el ritmo con el que transcurre el tiempo es más lento. Si pasas una temporada cerca de un agujero negro el tiempo para ti transcurrirá más despacio que para alguien que está en la Tierra. Simplemente vivimos en un mundo que tiene estas propiedades. Podríamos vivir en un mundo newtoniano, pero no es el caso. Como la velocidad de la luz es absoluta y es finita, pasan estas cosas», concluye José Luis sin disimular su entusiasmo.

«Einstein decidió modificar el concepto del tiempo. En su teoría el ritmo del tiempo depende del estado de movimiento de un objeto, pero también depende de si estás en un campo gravitacional intenso».

Los viajes en el tiempo hacia el futuro y el principio de equivalencia.

«La existencia de una velocidad máxima nos ha obligado a cambiar nuestras ideas acerca del espacio y el tiempo. De hecho, esto es lo que describió Einstein en 1915 con su teoría general de la relatividad. A partir de aquí podemos observar que viajar al futuro es fácil. Si observamos el reloj de un piloto de avión que acaba de dar una vuelta a la Tierra y lo comparamos con el de su hermano gemelo que se quedó en casa, veremos que el del piloto va retrasado a pesar de que inicialmente estaban sincronizados. En cierto sentido este último ha viajado al futuro de su hermano gemelo», expone Álvaro.

«Parece absurdo, pero este experimento se ha hecho y funciona perfectamente. De hecho, se repite todos los días miles de veces a causa del GPS. Los satélites de esta red para localizarnos tienen que tener en cuenta que como se están moviendo respecto a nosotros sus relojes se retrasan respecto al nuestro. De esta forma, llevando esta idea al extremo el piloto podría viajar muy deprisa y volver cuando su hermano gemelo tiene 80 años y él solamente tiene 30. Este efecto no solo es posible, sino que se demuestra todos los días millones de veces».

Cuando no se ve sometida a un campo gravitacional muy intenso la luz sigue una trayectoria recta a través del continuo espacio-tiempo, pero bajo el influjo de un campo gravitacional como el de la Tierra su trayectoria se curva ligeramente.

«Imaginemos que regresamos a nuestro cohete en el vacío y vemos en su interior al astronauta flotando debido a que no se ve afectado por la acción de ninguna fuerza. Si el cohete empieza a acelerar y colocamos debajo de los pies del astronauta una báscula comprobaremos que ya no marca cero como cuando el astronauta flotaba; marcará, por ejemplo, 75 kg, debido a que el cohete está acelerando con la misma aceleración que la gravedad sobre la Tierra».

«Esta observación fue la que llevó a Einstein a formular la hipótesis conocida como principio de equivalencia, que nos dice que la aceleración en un espacio lo suficientemente pequeño y la gravedad son lo mismo. Esto significa que la gravedad es un aspecto de la aceleración, y la aceleración está íntimamente relacionada con la gravedad», nos explica Álvaro con el propósito de que reparemos en uno de los principios fundamentales de la relatividad general.

La materia curva el espacio-tiempo.

Álvaro nos propone que continuemos adelante indagando un poco más en la relación que existe entre la materia y el continuo espacio-tiempo. Y para hacerlo nos sugiere un nuevo experimento mental muy sencillo:

«Si dibujamos un triángulo en un plano por más o menos alargado que sea sus ángulos siempre sumarán 180 grados. Esta es la propiedad que tiene un espacio plano. Sin embargo, si dibujo un triángulo sobre un espacio con geometría curvada, como, por ejemplo, la superficie de una esfera, sus ángulos sumarán 270 grados. Una de las predicciones de la teoría de la relatividad nos dice que la luz puede ser desviada por un objeto que tiene masa, de manera que podemos tomar tres puntos del espacio para formar con ellos un triángulo, colocar en cada uno de ellos un láser y enviar un haz de luz de uno a otro para conectarlos con rayos de luz en línea recta».

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Los ángulos de un triángulo sobre un espacio plano suman 180 grados, pero sobre un espacio curvado suman 270 grados. Los objetos con masa o energía actúan sobre la estructura del espacio-tiempo curvándolo.

«Lo curioso es que si ahora coloco la Tierra, que es un objeto con una gran masa, en medio de estos puntos provocaré que la luz se curve un poco, de manera que los ángulos que describían los haces de luz serán un poco mayores que los ángulos iniciales. La suma de los tres ángulos cuando la luz viaja en un espacio curvado ya no será 180 grados; será una cifra algo mayor que esta cantidad. Esta es la forma en que cualquier objeto que tenga masa o energía actúa sobre la estructura del espacio-tiempo, provocando que sea curvada y no plana», concluye este físico de partículas.

Imagen de portada: Jordan Benton

FUENTE RESPONSABLE: Xataka. Por Álvaro de Rújula y José Luis F. Barbón.

Ciencia/Investigación/Espacio/Física/Cosmos/Viajes en el tiempo

Física Cuántica/Astrofísica/Universo/

Agujero de gusano/ Puente de Einstein-Rosen.

Un ordenador cuántico confirma que los cristales de tiempo son una nueva fase de la materia.

Un ordenador cuántico ha confirmado que existe un nuevo estado de la materia llamado cristal de tiempo, una especie de máquina de movimiento perpetuo que revoluciona la física fundamental y sugiere que puede haber nuevos regímenes anómalos en la estructura atómica de muchos cuerpos.

Investigadores de la Universidad de Stanford, de Google Quantum AI, del Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos, y de la Universidad de Oxford, han creado un cristal de tiempo utilizando el hardware de computación cuántica Sycamore de Google.

Un cristal de tiempo es una nueva fase de la materia, predicha en 2012 por el Premio Nobel de Física, Frank Wilczek, cuya estructura atómica se repite, no solo a través del espacio, sino también a través del tiempo.

Los átomos de los sólidos cristalinos, como el diamante, están dispuestos de forma ordenada formando un patrón que se repite a lo largo del espacio que ocupan.

Los físicos llevan casi una década preguntándose si podrían existir también sólidos cristalinos cuya estructura atómica podría repetirse también a través del tiempo: han llamado a esta hipotética estructura cristales de tiempo.

Paradoja cuántica

Si existiera, el cristal de tiempo debería ser capaz de conseguir algo paradójico: conservar la estabilidad atómica propia de los sólidos cristalinos, pero al mismo tiempo cambiar su estructura cristalina de forma periódica, recuperando su configuración inicial después de esta transformación.

Eso significaría que, mientras que los diamantes pueden ser eternos, porque conservan intacta su estructura atómica, los cristales de tiempo estarían cambiando eternamente, sin ningún aporte adicional de energía, como un reloj que funciona para siempre sin pilas.

Serían como una especie de máquina de movimiento perpetuo que se beneficia del principio de conservación de la energía, pero que viola a la vez el segundo principio de la termodinámica, según el cual la energía ni se crea ni se destruye: simplemente se transforma.

Cristal de tiempo cuántico

La nueva investigación ha constatado que esa sorprendente fase de la materia, diferente a las fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática, realmente existe.

También que es diferente del condensado Condensado de Bose-Einstein, otro estado de la materia que se obtiene cuando determinados materiales alcanzan temperaturas cercanas al cero absoluto: en ese momento, sus átomos se convierten en una entidad única con propiedades cuánticas.

La confirmación de los cristales de tiempo se ha conseguido gracias a un ordenador cuántico, culminando así un largo proceso de investigaciones previas que han ido abriendo camino hasta el hallazgo conseguido ahora.

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Por alguna razón, Wilczek llamó a esta fase que había imaginado cristal de tiempo cuántico: ha sido necesario recurrir al procesador Sycamore de Google, capaz de realizar en solo 200 segundos una tarea para la que el superordenador más rápido del mundo necesitaría 10.000 años, para confirmar su existencia.

Laboratorio cuántico

Para conseguirlo, los investigadores llevaron a cabo una serie de «experimentos» tratando a este ordenador cuántico como un laboratorio para probar si el cristal de tiempo propuesto cumplía con ciertos requisitos.

El resultado obtenido es el primero en verificar experimentalmente que una fase de la materia puede existir fuera del equilibrio térmico, destaca Physic World.

Esta revista destaca también que es la primera vez que todos los requisitos para una fase de desequilibrio de la materia se han verificado rigurosamente.

Hay otro resultado indirecto de esta investigación no menos relevante: que incluso los procesadores cuánticos de escala intermedia (NISQ), como Sycamore, tienen importantes implicaciones para nuestra comprensión de la física.

Nuevas oportunidades

Eso significa que esta investigación sienta las bases fundamentales para el uso de dispositivos NISQ en el estudio de los fenómenos de desequilibrio, según los científicos.

Los investigadores destacan al respecto en un comunicado que la importancia de su hallazgo radica, no solo en la creación de una nueva fase de la materia, sino también en la apertura de oportunidades para explorar nuevos regímenes en el campo de la física de la materia condensada, que estudia las características físicas macroscópicas de la materia.

Añaden que los resultados de Sycamore proporcionan un punto de referencia práctico para otros experimentos basados ​​en procesadores cuánticos combinados con computación clásica.

Modelo para el futuro

Consideran que de momento solo han estudiado un pequeño rincón de la física posible, y que los procesadores cuánticos permiten que regímenes físicos completamente nuevos sean accesibles y relevantes. Añaden que su trabajo debería servir como modelo para estas exploraciones futuras.

Concluyen que la computación cuántica se configura como la plataforma necesaria para el desarrollo de la física fundamental, potencialmente capaz de descubrir fenómenos que incluso ni siquiera se han imaginado todavía.

La autora principal de esta investigación, Vedika Khemani, profesora asistente de física en la Universidad de Stanford, fue galardonada este año con el premio New Horizons in Physics de la Breakthrough Prize Foundation, «por su trabajo teórico pionero en la formulación de nuevas fases de materia cuántica que no está en equilibrio, incluidos los cristales de tiempo».

Después de haber comprobado la existencia de los cristales de tiempo, Khemani considera que «si bien gran parte de nuestra comprensión de la física de la materia condensada se basa en sistemas de equilibrio, estos nuevos dispositivos cuánticos nos brindan una ventana fascinante hacia nuevos regímenes de no equilibrio en la física de muchos cuerpos».

Referencia

Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor. Xiao Mi et al. Nature (2021). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-021-04257-w

Imagen de portada: El chip Google Sycamore utilizado en la creación de un cristal de tiempo. (Crédito de la imagen: Google Quantum AI).

FUENTE RESPONSABLE: Tendencias 21. Por Eduardo Martínez de la Fe. periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

Cristal de tiempo/Nueva fase de materia/Ordenador cuántico/Física cuántica.

El tiempo podría tener la estructura de un cristal.

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Un equipo de físicos ha detectado que la escala mínima de tiempo medible tiene varios órdenes de magnitud mayor que el tiempo de Planck, el mínimo establecido hasta la fecha. Esto, aplicado a las ecuaciones básicas de la mecánica cuántica, señalaría que la estructura del tiempo podría ser como la de un cristal, consistente en segmentos discretos que se repiten periódicamente.

El filósofo Heráclito (siglo V a.C.) relacionaba el tiempo con el estado de constante fluir de todas las cosas; y del tiempo decía Aristóteles “es un tipo de número”. La ciencia también se ha preguntado sobre la naturaleza del tiempo: ¿Es el tiempo un continuo (fluye sin cesar, como decía Heráclito) o es discreto (se divide en unidades consecutivas, como sugería Aristóteles)? Un nuevo estudio arroja algo de luz -y oscuridad- a esta cuestión.

Para intentar comprender lo que plantea este trabajo hay que comenzar explicando que en física hay establecido un límite temporal. Se trata del tiempo de Planck o cronón, y se considera el intervalo temporal más pequeño físicamente significativo (10-43 segundos).

El nuevo estudio ha demostrado que esa escala mínima de tiempo tendría varios órdenes de magnitud mayor que el tiempo de Planck.  Por otro lado, los autores del trabajo (de la Universidad de Waterloo y de la Universidad de Lethbridge, en Canadá, y de la Universidad de Alejandría, en  Egipto) han constatado que la existencia de ese tiempo tan mínimo alteraría las ecuaciones básicas de la mecánica cuántica.

Dado que la mecánica cuántica describe todos los sistemas físicos a una escala muy pequeña (subatómica), esta nueva medida temporal podría cambiar la descripción de los sistemas mecánico-cuánticos, afirman. Sus resultados han sido publicados The European Physical Journal C.

Buscando la estructura del tiempo

Impulsados por varios estudios teóricos recientes, los investigadores quisieron profundizar en la estructura del tiempo, en particular, en la cuestión largamente debatida (como hemos visto, incluso desde la filosofía clásica) de si el tiempo es un continuo o si es discreto. Para su estudio, partieron del presupuesto de que el tiempo es discreto o discontinuo, explica en Physorg Mir Faizal, uno de los autores del trabajo.  

Probaron este punto con la tasa de emisión espontánea de un átomo de hidrógeno. La emisión espontánea es un proceso por el cual un átomo en un estado excitado, pasa a un estado de energía más bajo, liberando un fotón en el proceso.

Descubrieron así que el tiempo mínimo era de magnitud mayor que el tiempo de Planck, pero no superior a una determinada cifra. Futuros experimentos podrían determinar el valor exacto de este límite de tiempo mínimo. Los efectos propuestos también pueden ser observables en otras tasas de desintegración de partículas y de núcleos inestables.

Implicaciones para el tiempo

Los científicos sugieren que aplicar esta nueva medida a las ecuaciones básicas de la mecánica cuántica modificarían la misma definición de tiempo.

Explican que la estructura del tiempo podría ser pensada a partir de estos resultados como una estructura de cristal, consistente en segmentos discretos que se repiten periódicamente.

En un plano más filosófico, el argumento de que el tiempo es discontinuo sugeriría que nuestra percepción del tiempo como algo que fluye de forma continua es sólo una ilusión.

«El universo físico es realmente como una película, en la que una serie de imágenes fijas crean la ilusión de imágenes en movimiento», afirma Faizal. Una ‘película’ que estaría producida por una estructura matemática subyacente discreta.

La propuesta señalaría a lo que decía Platón, que la verdadera realidad existe independiente de nuestros sentidos. «Sin embargo, a diferencia de otras teorías del idealismo platónico, esto puede ser probado experimentalmente, y no es solo un argumento filosófico», concluye Faizal.

Referencia bibliográfica:

Mir Faizal, et al. Time crystals from minimum time uncertainty.  The European Physical Journal C (2016). DOI: 10.1140/epjc/s10052-016-3884-4.   

Imagen de portada: Gentileza de Tendencias 21.

FUENTE RESPONSABLE: Tendencias 21. Eduardo Martínez de la Fé. Periodista cientifico. Editor de Tendencias 21.

Física cuántica/Tiempo/Medición de tiempo/Estructura/Investigación /Filosofía.

Si algún día se construye un ordenador cuántico plenamente funcional será gracias en parte a este científico español: hablamos con Ignacio Cirac.

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Es imposible no sentirse impresionado cuando tienes delante el currículo de Ignacio Cirac. Este manresano se ha erigido como uno de los padres fundacionales de la computación cuántica, lo que le ha llevado a ser uno de los científicos más citados, y por tanto más relevantes, en su área de investigación. Y también uno de los más premiados.

De hecho, tiene en su poder, entre muchos otros galardones, el Premio Príncipe de Asturias, la Medalla Max Planck y el Premio Wolf, considerado la antesala del Nobel. Se licenció en física en la Universidad Complutense de Madrid, en 1988, y tres años más tarde obtuvo su doctorado gracias a su trabajo en el área de la óptica, que es la rama de la física que analiza las propiedades de la luz.

Ignacio Cirac tiene en su poder, entre muchos otros galardones, el Premio Príncipe de Asturias, la Medalla Max Planck y el Premio Wolf, considerado la antesala del Nobel

Hasta aquí no hay nada en su expediente que no esté al alcance de otras muchas personas con una formación equiparable, pero solo hemos arañado la superficie de su trayectoria profesional. No es necesario que repasemos de forma exhaustiva el periplo que inició después de finalizar su doctorado, pero para formarnos una idea certera del camino que ha seguido hasta llegar al lugar en el que se encuentra hoy nos interesa hacer varias paradas de avituallamiento de carácter biográfico.

Y su lugar hoy está, ni más ni menos, en la dirección de la División Teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica alojado en Garching, una localidad apacible situada a pocos kilómetros de Múnich. Sus aportaciones a la teoría que sustenta la computación cuántica son esenciales. De hecho, no es en absoluto exagerado afirmar que Ignacio Cirac es en el ámbito de la computación cuántica lo que los hermanos Wright fueron en el dominio de la aviación. Esta es su historia.

Su inquietud por saciar su curiosidad le colocó en los brazos de la física cuántica

¿Qué te animó a estudiar física y no otra carrera con vocación científica o técnica, como matemáticas o una ingeniería?

La decisión la tomé en el último momento. Yo siempre había querido ser ingeniero. La ingeniería me gustaba mucho, pero también me apasionaba entenderlo todo en profundidad, y pensé que probablemente la física me daba mucha más cancha para poder hacerlo. Así que empecé la carrera, y más adelante, cuando me encontré con la física cuántica y otras asignaturas que también me gustaron mucho, quedé convencido de que había tomado la decisión correcta.

¿Cómo fue tu contacto con la física cuántica durante tu formación como físico? ¿Descubriste enseguida que era una disciplina que te interesaba especialmente o fue un enamoramiento paulatino?

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Realmente mi contacto más profundo con ella fue durante el tercer año de carrera, y descubrí que era una asignatura que me gustaba mucho por varios motivos. En primer lugar es una asignatura que tiene connotaciones filosóficas, y a mí me gustaba la filosofía. Además, es una teoría muy matemática, y entonces ya me interesaban mucho las matemáticas. Y, por último, es una teoría que nos cuenta de qué estamos hechos, que es algo muy interesante, pero que también tiene aplicaciones.

Conocerla te permite hacer cosas que no puedes abordar sin descubrirla. Esto también me resultó muy atractivo. Durante los primeros años de carrera no tenía muy claro qué camino seguir durante mi especialidad, y en el último momento, cuando me encontré con la física cuántica, quedé convencido de que quería hacer física teórica, que es una de las formas de poder dedicarte a la física cuántica.

Su colaboración con Peter Zoller apuntaló los cimientos de la computación cuántica

Al terminar su doctorado en la misma universidad en la que se licenció, se abrió ante Ignacio Cirac una puerta que temía que permaneciese entornada para él dada la endogamia que está tan arraigada en la universidad española: la posibilidad de dedicarse a la investigación y la docencia como profesor titular en el Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Castilla-La Mancha.

No cabía duda de que era una oportunidad que alguien impaciente por investigar no podía pasar por alto, así que en 1991 hizo la maleta y se trasladó a Ciudad Real. Durante los dos años siguientes Ignacio compatibilizó la docencia y la investigación en esta institución educativa, pero en 1993 decidió hacer un alto en el camino para trasladarse a Boulder, en Colorado (Estados Unidos), y hacer su posdoctorado investigando junto al veterano físico austríaco Peter Zoller.

Los caminos de Cirac y Zoller se cruzaron en el Laboratorio de Astrofísica de la Universidad de Colorado en Boulder, y discurrieron juntos durante varios años muy fructíferos. De hecho, la colaboración de estos dos científicos no tardó en fraguar, lo que les llevó a escribir a cuatro manos uno de los trabajos por los que ambos han sido candidatos al Premio Nobel de Física: la descripción teórica del primer ordenador cuántico.

Ignacio Cirac y Peter Zoller se han consolidado como dos de los científicos más citados en su área de investigación

Aquel fue solo uno de los artículos en los que ambos investigadores trabajaron juntos con el objetivo de proponer los fundamentos teóricos de una disciplina, la computación cuántica, que desde ese momento ha experimentado un desarrollo muy notable.

Su trabajo, y el de algunos de sus colaboradores, es el pilar sobre el que empresas estadounidenses como Google, IBM, Honeywell o Intel, la compañía china Alibaba, o el gobierno chino, entre otras organizaciones, han puesto a punto los prototipos de ordenadores cuánticos que tenemos actualmente.

Después de su estancia en Colorado, Cirac regresó a España y retomó sus clases en la Universidad de Castilla-La Mancha hasta que en 1996 aceptó una propuesta de la Universidad de Innsbruck, en Austria, que le permitió dar un nuevo salto hacia delante en su carrera.

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El trabajo de Ignacio Cirac, Peter Zoller y otros científicos ha afianzado la base teórica que ha hecho posible la puesta a punto de los ordenadores cuánticos que tienen empresas como Google, IBM, Honeywell o Intel.

Peter Zoller se había formado en esa institución, y poco antes, en 1994, había regresado de Estados Unidos para dirigir el Instituto de Física Teórica. No cabe duda de que la presencia de su colega propició que Cirac decidiese aceptar la oferta y ejercer como profesor en ese mismo instituto.

Durante la segunda mitad de los 90 Cirac y Zoller publicaron junto a otros investigadores decenas de artículos en algunas de las publicaciones científicas más prestigiosas. Algunas de sus principales áreas de trabajo fueron los ordenadores cuánticos basados en trampas de iones, la teoría de la información cuántica, la óptica cuántica o las simulaciones cuánticas.

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EN XATAKA

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Las contribuciones de ambos autores en este campo fueron tan relevantes que en poco tiempo Zoller y Cirac se consolidaron como dos de los científicos más citados en su área de investigación. Pero aún aguardaba una nueva oportunidad para el físico español. En 2001 sus aportaciones en el ámbito de la física teórica provocaron que la dirección de la prestigiosa ísima Sociedad Max Planck se fijase en él para dirigir la División Teórica de su Instituto de Óptica Cuántica.

¿Tenías la ilusión de dedicarte a la docencia y la investigación desde que comenzaste tu formación como físico, o fue una oportunidad que se presentó al finalizar tu doctorado?

Fue al final. No tenía muy pensado qué iba a hacer. De hecho, mientras estaba estudiando la carrera de Físicas empecé a estudiar también Industriales porque no sabía realmente si quería ser físico o ingeniero. Hice la tesis porque, entre otras cosas, pensaba terminar mientras tanto la carrera de Ingeniería Industrial, pero obtuve una beca que me permitía ir al extranjero, y al aceptarla conocí algunos grupos y descubrí que realmente me gustaría dedicarme a la investigación. Fue hacia el final de mi tesis doctoral.

A principios de los 90 tu camino y el de Peter Zoller se cruzaron en Estados Unidos. Juntos habéis dado forma a la base teórica de la computación cuántica, por lo que con todo merecimiento se os considera los padres fundacionales de esta disciplina, pero ¿cuál fue el germen de la computación cuántica? ¿Cómo se te presentó la oportunidad de investigar en una disciplina que entonces era completamente innovadora?

Conocí a Zoller cuando estaba haciendo el doctorado porque me fui a pasar tres meses con él. Durante la carrera tuve la suerte de tener muy buenos profesores de física cuántica, y, entre otras cosas, nos hablaban de las implicaciones más extrañas de esta disciplina, y las entendíamos muy bien. Creo que salí muy bien preparado para poder saltar a un tema nuevo como este. Después, mientras estuve trabajando en mi postdoctorado, empezaron a surgir algunos artículos que no estaban relacionados directamente con la computación cuántica, pero trataban la criptografía cuántica y el teletransporte.

Ese fue el momento en el que me puse a trabajar en estos temas. Pero no fue hasta el año 94, en el que salió el algoritmo de Shor, que es muy importante para los ordenadores cuánticos, cuando Peter Zoller y yo nos dedicamos de lleno a ello. Estábamos trabajando en temas relacionados con la computación cuántica, y por eso no nos quedaba muy lejos, así que fuimos a una conferencia en la que insistieron en la importancia que tendría un ordenador cuántico, pero nadie sabía cómo construirlo. Y tampoco si realmente se podría hacer. Entonces nosotros nos dimos cuenta de que pensábamos que sabíamos cómo construirlo. Ahí empezó todo.

Tuvo que ser un momento muy emocionante al ser conscientes de que teníais ante vosotros algo realmente nuevo y de que podíais realizar una contribución importante…

Desde luego. Hay que tener en cuenta que en el año 94 la computación cuántica era algo muy exótico. Ahora no lo es, pero en aquel momento pensar que ibas a construir un ordenador utilizando los principios de la física cuántica era algo inaudito. Decidimos tomar ese riesgo porque sabíamos que a corto plazo no iba a pasar nada, pero creíamos que a largo plazo podría tener un impacto muy grande. Vimos una oportunidad y nos metimos en ella a fondo.

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Esta fotografía de Ignacio Cirac ha sido tomada durante una de las conferencias que pronuncia para contribuir a la divulgación de la física cuántica y los principios que hacen posibles los ordenadores cuánticos (autora: Diana Martínez Llaser).

El impacto de buena parte de los artículos que has publicado junto a otros investigadores ha sido muy profundo. ¿Esperabas que tu trabajo tuviese una recepción tan positiva por parte de la comunidad científica? ¿Cómo recibiste ese impacto inicial que te ha colocado como uno de los científicos más citados en tu área de investigación?

La verdad es que nunca me paré a pensarlo. Fue algo que me sobrevino. Estaba trabajando con Peter Zoller y otros colaboradores en temas que creíamos que podrían ser importantes para el futuro, pero no pensamos en el impacto que podrían tener, sino más bien en que era nuestro cometido como investigadores cuyo trabajo se financiaba con dinero público. Cabía la posibilidad de que ese esfuerzo tuviese un impacto positivo en la sociedad.

Lo que hicimos fue reunir el mundo de las teorías abstractas de la computación cuántica, que eran algo muy exótico, con el trabajo de los físicos atómicos, los físicos moleculares, los físicos de óptica… De alguna forma trajimos una gran comunidad asociada a la computación cuántica. Esto fue lo que provocó el impacto. De alguna forma les convencimos de que todo esto tenía interés y de que merecía la pena trabajar en ello.

Su obra habla por él: ha publicado más de 500 artículos científicos

Ignacio Cirac lleva dos décadas al frente del departamento de física teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica. Durante todo este tiempo ha seguido desarrollando el trabajo que inició junto a Peter Zoller a mediados de los 90, de modo que la mejor forma de seguir su trayectoria no es otra que revisar los artículos que ha publicado en algunas de las revistas más prestigiosas, como Nature, Physical Review Letters, Advances in Physics o Science, entre otras (aquí tenéis un repositorio en el que podéis echar un vistazo a algunos de ellos).

Ignacio Cirac lleva dos décadas al frente del departamento de física teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica

Es innegable que es un investigador muy prolífico, y, además, el hecho de que sea uno de los autores más citados en su campo avala la relevancia que tienen sus estudios. Una de sus especialidades es la teoría del entrelazamiento cuántico, lo que le ha llevado a ser considerado uno de los mayores expertos mundiales en esta materia en particular.

No obstante, sus áreas de interés son muy diversas y abordan materias tan interesantes como son los repetidores cuánticos, la teoría cuántica de la información desde una perspectiva general o los estados cuánticos, entre muchas otras áreas.

Enumerar sus aportaciones más relevantes a la computación cuántica es una tarea casi inabarcable dada la extensión de su trabajo, pero, por citar tan solo un par de ellas, demostró que la manipulación asintótica del entrelazamiento es irreversible, y también cómo se puede identificar la presencia de entrelazamiento en sistemas gaussianos.

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Cirac ha publicado sus artículos en algunas de las revistas científicas más prestigiosas, como Nature, Physical Review Letters, Advances in Physics o Science.

Todo esto es muy complejo, es verdad. No puede ser de otra forma si nos adentramos en la obra de un científico que ha erigido su carrera sobre una disciplina tan complicada y contraintuitiva como es la mecánica cuántica.

Por esta razón os propongo que volvamos al origen de la investigación de Ignacio Cirac. A mediados de los 90. Y es que en 1995 publicó junto a Peter Zoller el artículo que es unánimemente considerado la piedra angular que soporta el nacimiento de la computación cuántica tal y como la contemplamos actualmente.

En él estos dos científicos proponen, ni más ni menos, cómo se puede construir un ordenador cuántico. Su contenido es complejo, pero, a pesar de ser poco asequible, es el texto que os sugiero consultar si tenéis curiosidad y os apetece echar un vistazo a uno de los artículos clásicos de Cirac. Aquí lo tenéis.

En 1995 Cirac publicó junto a Peter Zoller el artículo que es unánimemente considerado la piedra angular que soporta el nacimiento de la computación cuántica tal y como la conocemos

No obstante, antes de que indagueis en él merece la pena que dediquemos unos minutos a repasar brevemente cuatro ideas básicas que dan forma a los fundamentos de la computación cuántica y que pueden ayudarnos a acercarnos a los artículos de Cirac. Al fin y al cabo él es uno de los científicos que han contribuido al afianzamiento de estos principios.

El punto de partida que os proponemos para estar mínimamente familiarizados con los ordenadores cuánticos requiere conocer qué es un cúbit, qué es un estado cuántico, qué es la superposición y cómo funciona el entrelazamiento cuántico.

Un cúbit, o bit cuántico, es la unidad mínima de información manipulada por un ordenador cuántico, de la misma forma en que un bit ejerce la misma función en los ordenadores clásicos. Lo sorprendente es que los cúbits, a diferencia de los bits, no tienen un único valor en un momento dado; lo que tienen es una combinación de los estados cero y uno simultáneamente. Pueden tener mucho de estado cero y poco de estado uno. O mucho de estado uno y poco de estado cero. O lo mismo de ambos. O cualquier otra combinación de estos dos estados que se os ocurra.

La física que explica cómo se codifica el estado cuántico de un cúbit es compleja. No es necesario que profundicemos en esta parte para intuir los fundamentos de la computación cuántica, pero sí es interesante que sepamos que el estado cuántico está asociado a características como el espín de un electrón, que es una propiedad intrínseca de las partículas elementales, al igual que la carga eléctrica, derivada de su momento de rotación angular.

El criterio de Rayleigh, explicado: la proximidad del límite físico del silicio nos recuerda que esta ecuación nos dice hasta dónde podemos llegar

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Esta idea no resulta intuitiva, pero tiene su origen en uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica conocido como principio de superposición de estados. Y es esencial porque en gran medida explica el enorme potencial que tienen los procesadores cuánticos.

En un ordenador clásico la cantidad de información que podemos codificar en un estado concreto utilizando n bits tiene tamaño n, pero en un procesador cuántico de n cúbits un estado concreto de la máquina es una combinación de todas las posibles colecciones de n unos y ceros.

Cada una de esas posibles colecciones tiene una probabilidad que nos indica, de alguna forma, cuánto de esa colección en particular hay en el estado interno de la máquina, que está determinado por la combinación de todas las posibles colecciones en una proporción concreta indicada por la probabilidad de cada una de ellas.

Como veis, esta idea es algo compleja, pero podemos intuirla si aceptamos el principio de superposición cuántica y la posibilidad de que el estado de un objeto sea el resultado de la ocurrencia simultánea de varias opciones con distinta probabilidad.

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El entrelazamiento cuántico no tiene un equivalente en la física clásica, y consiste en que el estado de los sistemas cuánticos involucrados, que pueden ser dos o más, es el mismo.

Ya solo nos queda repasar brevemente qué es el entrelazamiento cuántico. Este fenómeno no tiene un equivalente en la física clásica, y consiste en que el estado de los sistemas cuánticos involucrados, que pueden ser dos o más, es el mismo. Esto significa que estos objetos, en realidad, forman parte de un mismo sistema, incluso aunque estén separados físicamente. De hecho, la distancia no importa.

Los cúbits, a diferencia de los bits, no tienen un único valor en un momento dado; tienen una combinación de los estados cero y uno simultáneamente

Si dos partículas, objetos o sistemas están entrelazados mediante este fenómeno cuántico, cuando midamos las propiedades físicas de uno de ellos estaremos condicionando instantáneamente las propiedades físicas del otro sistema con el que está entrelazado. Incluso aunque esté en la otra punta del universo. Suena a ciencia ficción, pero por muy extraño y sorprendente que nos parezca este fenómeno se ha comprobado empíricamente.

Algunos científicos, como el matemático israelí y profesor en Yale Gil Kalai, ponen en duda que en el futuro vayamos a tener ordenadores cuánticos dotados de la capacidad de corregir sus propios errores. ¿Qué opinas acerca de esta previsión? ¿Es imprescindible resolver el reto que plantea implementar la corrección de errores para conseguir que los ordenadores cuánticos se enfrenten a problemas significativos?

No necesariamente. Hay dos caminos. Desarrollar un ordenador cuántico que no tenga errores es muy complicado. No tengo ninguna duda de que va a pasar (en este ámbito no estoy de acuerdo con lo que dice Gil), pero creo que va a tardar mucho tiempo. El otro camino consiste en coger los prototipos que ya tenemos, que son muy pequeños y no funcionan del todo bien porque tienen errores, y hacer con ellos algo que sea significativo.

La primera opción es la más importante porque creo que tendrá un impacto enorme en la sociedad, pero tendremos que esperar. La segunda, sin embargo, es algo que está abierto. Es posible que surjan algunas aplicaciones importantes que sea posible abordar con los prototipos de ordenadores cuánticos que tenemos, o puede que no. Todavía no lo sabemos con certeza, pero creo que merece la pena apostar por ello porque en el caso de que surja alguna podría tener un impacto grande en la sociedad.

¿Cuántos cúbits debe tener un ordenador cuántico dotado de la capacidad de corregir sus propios errores? ¿Hay alguna previsión acerca de cuándo podríamos tener un ordenador cuántico de este tipo?

El número de cúbits dependerá del tipo de problemas que queramos resolver con los ordenadores cuánticos. Para abordar problemas simbólicos necesitaremos tener varios millones de cúbits. Probablemente, incluso, cientos de millones de cúbits. En estos momentos estamos hablando de cien cúbits, por lo que queda un camino largo por recorrer. Hay gente que dice que con 100 000 cúbits tal vez se pueda resolver algún problema específico, pero realmente hacen falta muchísimos cúbits.

«Con 100 000 cúbits tal vez se pueda resolver algún problema específico, pero realmente hacen falta muchísimos cúbits»

El problema es que integrar más es difícil porque las condiciones en las que se tienen que encontrar si utilizamos superconductores son muy extremas. La temperatura debe ser mucho más baja que la que podemos encontrar en cualquier lugar del universo, o bien tienen que estar en un vacío completo. Tendríamos que quitar todos los átomos; todas las moléculas. Esto quiere decir que a la hora de incrementar el número de cúbits tenemos que encontrar la forma de añadirlos manteniendo esa temperatura, y no es fácil.

Estamos ante un desafío tecnológico muy importante. Y en el caso de los iones los problemas con los que nos encontramos son parecidos, o, incluso, más complejos. No cabe duda de que hay una dificultad tecnológica grande, pero no se trata de una imposibilidad. Se está haciendo mucha investigación, y se está intentando salir adelante.

Los ordenadores cuánticos que tenemos actualmente incorporan unas pocas decenas de cúbits. ¿Qué podemos hacer con ellos? ¿Ya nos están ayudando a resolver problemas del mundo real que van más allá de las aplicaciones meramente experimentales?

Por ahora no, pero sabemos que probablemente nos ayudarán a resolver un tipo concreto de problemas de simulación cuántica, que grosso modo consisten en resolver las ecuaciones que aparecen cuando estudiamos materiales con propiedades especiales. Tienen interés en el diseño de materiales exóticos. Sabemos con certeza que en este ámbito los ordenadores cuánticos tienen aplicaciones.

Hay otro caso que es bastante especulativo, pero en el que también podrían tener aplicaciones: en el mundo de la química involucrado en el diseño de fármacos. No está del todo claro que sea así, pero podría serlo. Y también hay otros escenarios aún mucho más especulativos, que son los problemas industriales de optimización. Por supuesto, no digo que sea imposible utilizar en este ámbito los ordenadores cuánticos, pero sí que es muy difícil. En cualquier caso, merece la pena intentarlo.

De lo que me estás explicando se desprende que los ordenadores cuánticos van a tener sus campos de especialización, por lo que deberían convivir en armonía con los superordenadores clásicos que tenemos actualmente…

Los ordenadores cuánticos se dedicarán a los problemas que he mencionado, pero si en algún momento desarrollamos los ordenadores cuánticos sin errores, serán universales. Esto no quiere decir que sean útiles para todo, sino que será posible programarlos y hacer con ellos muchas cosas.

La cuestión es averiguar si eso que podemos hacer lo podrán resolver más rápido que un superordenador clásico. Sabemos que en unos casos sí será así, y en otros no. En cualquier caso, parece razonable pensar que los ordenadores cuánticos convivirán con los superordenadores tanto a corto como a largo plazo.

La comunidad científica celebró por todo lo alto la llegada de la supremacía cuántica

En septiembre de 2019 se filtró en la página web de NASA un artículo científico elaborado por un equipo de investigadores de Google en el que aseguraban haber alcanzado un hito muy anhelado: la supremacía cuántica.

No tardaron en surgir voces discordantes que ponían en duda que realmente hubiesen conseguido materializar este logro (una de las organizaciones más críticas con Google fue IBM), pero después de varias semanas de debate, y tras la publicación en Nature del artículo de Google, la discusión se relajó y el grueso de la comunidad científica aceptó que, efectivamente, la supremacía cuántica había sido alcanzada.

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Este hito refleja que un ordenador cuántico ha sido más rápido en la práctica que un ordenador clásico cuando ambos se enfrentan a la resolución de un mismo problema. No obstante, esta definición admite matices. ¿En qué medida debe ser más rápido el ordenador cuántico? ¿Mucho? ¿Basta que lo sea solo un poco?

La idea comúnmente aceptada propone que la máquina cuántica consiga resolver en un plazo de tiempo abarcable un problema que un superordenador clásico resolvería en un plazo de tiempo inasumible dada su extensión.

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El equipo de Google dirigido por John Martinis fue el primero que consiguió alcanzar la supremacía cuántica. Unos meses después este hito fue materializado también por un grupo de investigadores chinos liderado por Jian-Wei Pan.

Tanto el equipo de Google dirigido por John Martinis como el grupo de investigadores chinos liderado por Jian-Wei Pan han conseguido alcanzar la supremacía cuántica. A estas alturas ningún investigador relevante parece ponerlo en duda, pero Ignacio Cirac fue uno de los primeros expertos que no dudaron en mojarse y defender pocos días después del anuncio de Google que, efectivamente, los investigadores de esta compañía habían materializado este logro.

¿Cómo recibiste la noticia de que Google había alcanzado la supremacía cuántica? ¿Esperabas que llegase ese hito en el momento en el que lo hizo?

Sí debido a que había muchos rumores previamente. A las personas que trabajamos en este campo no nos sorprendió, pero nos ilusionó porque realmente fue un hito. Se llevaron a cabo muchas demostraciones con prototipos de ordenadores cuánticos anteriormente, pero todas ellas resolvían problemas que podíamos solucionar con más rapidez utilizando un ordenador portátil convencional.

En ese momento vimos por primera vez que hay un problema académico muy concreto sin aplicaciones que un ordenador cuántico podía resolver mucho más rápido que cualquier superordenador que tengamos hoy en día.

A la búsqueda de mejores cúbits y las tan anheladas aplicaciones prácticas

Los prototipos de ordenadores cuánticos que tenemos actualmente tienen un largo camino por delante para consolidarse como una herramienta capaz de ayudarnos a resolver algunos de los grandes problemas a los que nos enfrentamos.

Los mayores desafíos que debemos superar para poner a punto un ordenador cuántico completamente funcional consisten en implementar un sistema de corrección de errores, desarrollar cúbits de más calidad y diseñar nuevas herramientas que nos permitan controlarlos con precisión y llevar a cabo más operaciones lógicas con ellos.

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Pero esto no es todo. También necesitamos implementar nuevos algoritmos cuánticos que sean capaces de ayudarnos a abordar los problemas que no podemos resolver con los superordenadores clásicos más potentes que tenemos hoy en día. Precisamente esta es una de las áreas en las que Cirac está trabajando con más ahínco actualmente.

Cirac está trabajando en la búsqueda de aplicaciones prácticas que puedan ser abordadas por los ordenadores cuánticos que tenemos

Está contribuyendo en la búsqueda de aplicaciones prácticas que puedan ser abordadas por los ordenadores cuánticos que tenemos hoy, a pesar de que cometen errores. No basta idear qué podremos hacer con los ordenadores cuánticos que tendremos en el futuro, que con suerte serán inmunes a los errores y nos permitirán hacer muchas más cosas con ellos.

Los investigadores actualmente estáis trabajando en dos formas de implementar los cúbits: con superconductores y con trampas de iones. ¿Cuál de las dos opciones te parece más prometedora? ¿Qué retos plantea el desarrollo de cúbits de más calidad?

A largo plazo no lo sabemos. Es posible que ninguna de estas dos formas de implementar los cúbits sea la óptima, y que lo sea otra diferente. Hay un desarrollo tecnológico tan importante que cabe la posibilidad de que otras tecnologías que quizá están más atrasadas actualmente puedan avanzar. Si nos ceñimos al corto plazo, a los prototipos que tenemos con errores, yo diría que cada una de estas dos tecnologías tiene su potencial.

Probablemente los cúbits superconductores nos ayudarán a tener más cúbits, pero creemos que tendrán más errores que los cúbits de iones. También hay una tercera tecnología, los átomos neutros, en la que están trabajando varios grupos de investigación y que está consiguiendo reunir más cúbits manteniendo la exactitud y la falta de errores de los otros sistemas. Espero que muy pronto consigamos desarrollar tecnologías más avanzadas que consigan superar a las que tenemos hoy en día.

Desde fuera del ámbito académico da la sensación de que el desarrollo de la computación cuántica se está acelerando. ¿Es realmente así?

Sí, desde luego. Se está acelerando muchísimo, sobre todo debido a la entrada de la industria. Para algunos gobiernos es una prioridad nacional tener acceso a los ordenadores cuánticos lo antes posible, o, al menos, al mismo tiempo que los demás países. La Unión Europea, Estados Unidos, China, Australia o Japón son algunos de los países que están financiando la investigación en esta área, pero lo más importante es que la industria tecnológica se ha metido de una forma ambiciosa.

Google, IBM, Amazon, Microsoft o Intel son algunas de las empresas que están trabajando en computación cuántica, y sus recursos aceleran mucho más el desarrollo que si solo contásemos con varios laboratorios en los que investigan unas pocas decenas de estudiantes.

De alguna forma percibo un cierto paralelismo entre la computación cuántica y la fusión nuclear. Ambas innovaciones se apoyan en una base teórica muy sólida, pero llevarlas a la práctica nos obliga a enfrentarnos a desafíos tecnológicos casi titánicos. ¿Te parece una comparación acertada?

Sí, así es. Lo único es que los desafíos son un poco distintos. En el caso de la fusión nuclear necesitas una gran instalación con muchos elementos funcionando de manera sincronizada, mientras que un ordenador cuántico es algo más pequeño. Es algo que se puede hacer en muchos sitios. En el fondo estoy de acuerdo contigo, por lo que las diferencias entre estas dos innovaciones residen en los detalles.

«Los científicos somos muy cautelosos. Estamos entusiasmados con el momento que estamos viviendo, pero somos muy cautelosos para no levantar falsas expectativas»

Aun así, tenemos que ser realistas y pensar que aunque tenemos un entusiasmo tremendo, especialmente después de los últimos anuncios que se han hecho, como la llegada de la supremacía cuántica, posiblemente no se van a cubrir nuestras expectativas. Todo lo que se está prometiendo hoy en día no se va a cumplir en el corto plazo, por lo que tenemos que ir pensando qué vamos a hacer cuando veamos que todas esas promesas quizá no ocurren en el plazo de tiempo que tenemos en mente. Los científicos somos muy cautelosos. Estamos entusiasmados con el momento que estamos viviendo, pero somos muy cautelosos para no levantar falsas expectativas.

Tenemos un aparato extraordinario que está basado en unas ideas muy extrañas. Es algo realmente fantástico. Mágico. Difícil de entender. Pero no funciona del todo bien, y tenemos que tener mucha paciencia para mejorarlo y descubrir cómo podemos utilizarlo. Temo que si hacemos promesas que no están lo suficientemente justificadas se produzcan grandes decepciones no solo por parte de los gobiernos y la industria, sino también por parte de la sociedad. No me gustaría que por esta razón perdamos la gran oportunidad que tenemos delante.

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Ignacio Cirac no disimula su entusiasmo ante el estado de desarrollo que ha alcanzado la computación cuántica actualmente, pero recalca que es esencial no generar falsas expectativas y seguir trabajando duro para resolver los muchos desafíos que esta disciplina ha colocado ante nosotros.

¿Cuál es tu cometido como director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica? ¿Cuál es tu área de investigación actualmente?

Mi área de trabajo desde un punto de vista general es la física cuántica, y lo que nos interesa es ver qué podemos construir utilizando las leyes de la física cuántica que no podemos conseguir con las leyes de la física clásica. Los ordenadores cuánticos son un ejemplo de dispositivo que cumple esta premisa, pero también se pueden hacer otras cosas.

También nos interesa conocer qué podemos hacer con un ordenador cuántico. No sabemos qué podemos hacer ni con los prototipos que tenemos actualmente, ni con los que construiremos en el futuro. Sabemos resolver algunos problemas, pero no hay tantos, y por esta razón estamos buscando otras aplicaciones de los ordenadores cuánticos. Y, por último, nuestro equipo también está haciendo un gran esfuerzo para buscar en la computación cuántica la inspiración que necesitamos para resolver problemas utilizando ordenadores clásicos.

El futuro de la computación cuántica, en manos de una cantera de jóvenes investigadores

Acabas de mencionar que la física cuántica os está permitiendo desarrollar otras innovaciones más allá de los ordenadores cuánticos. ¿En qué estáis trabajando que no sería posible utilizando las leyes de la física clásica?

Se puede utilizar la física cuántica para hacer criptografía cuántica, y también para establecer comunicaciones más eficientes que persiguen enviar más información con menos datos. Otro campo también muy interesante es la metrología, que nos permite tomar medidas muy precisas.

Puede emplearse, por ejemplo, para medir un campo magnético que está cerca de las células porque te permite identificar la actividad de algunos órganos. O puedes ver si hay petróleo sin tener que hacer un agujero midiendo las perturbaciones en el campo gravitacional. Incluso puede utilizarse la física cuántica para construir relojes más precisos que mejoren las prestaciones de nuestros sistemas GPS.

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¿Qué opinas acerca de la cantera de jóvenes investigadores que están desarrollando su carrera en el ámbito de la computación cuántica? ¿Te ilusiona el potencial de los investigadores con los que contáis en el instituto y el impacto que posiblemente tendrán en el desarrollo de esta disciplina?

Sí, mucho. La computación cuántica está atrayendo mucho talento; un talento que es difícil encontrar en otros campos. Atrae a los mejores estudiantes, a la gente más original… Es un placer trabajar con los investigadores jóvenes, y les auguro un porvenir muy bueno siempre y cuando no tengamos el problema que he mencionado antes: que este campo no cumpla las expectativas, dejemos de ser importantes y todo este talento que estamos generando, y que será muy relevante a largo plazo, lo perdamos.

La Unión Europea, una potencia científica rezagada en el ámbito industrial

¿Cuáles son en tu opinión las grandes potencias actualmente en computación cuántica? ¿Cuál es el papel de China en esta disciplina? ¿Y qué rol tiene la Unión Europea? ¿Se ha quedado rezagada frente a China y Estados Unidos?

Desde un punto de vista científico, no. Europa y Estados Unidos han liderado la computación cuántica, y también todo lo relacionado con la física cuántica. Sin embargo, sí nos hemos quedado rezagados en la parte industrial implicada en la construcción de los ordenadores cuánticos. La principal razón es que en Europa no existe tanto emprendimiento. No hay tantas industrias tecnológicas como en Estados Unidos.

«Europa y Estados Unidos han liderado la computación cuántica, y también todo lo relacionado con la física cuántica»

En el caso de China el gobierno se dio cuenta muy pronto de que esto era algo estratégico para él e hizo unas inversiones inmensas en computación cuántica. Y esto le ha permitido hacer algunos avances importantes que son difíciles de alcanzar de otra forma, por ejemplo, en criptografía cuántica. Hay varios escenarios en los que China ha conseguido avanzar a base de recursos y fuerza bruta.

En Alemania, que es el país que me queda más cerca, hay una gran inversión en computación cuántica. También se ha tomado como un tema prioritario, y cada vez hay más empresas interesadas en trabajar en esta área y en ver si hay posibilidades de obtener beneficios, aunque sea a largo plazo. En cualquier caso, es un tema complejo debido a que son muchas las variables que propician la inversión en esta disciplina, como la competitividad, la productividad o la presencia de una regulación que la respalde, entre otros factores.

A modo de colofón y como resumen de nuestra conversación, ¿cuáles son en tu opinión los grandes retos que tiene por delante la computación cuántica? ¿Cómo será el futuro hacia el que nos encaminaremos cuando los primeros ordenadores cuánticos plenamente funcionales estén disponibles?

En mi opinión los desafíos a corto plazo son dos. Por un lado conseguir que los prototipos que tenemos sean mejores y más grandes, y, por otra parte, encontrar aplicaciones y problemas que podamos resolver con ellos.

Cuando tengamos un ordenador cuántico escalable, algo que probablemente sucederá dentro de muchos años, tendrá un gran impacto en la sociedad. Cuando a lo largo de la historia se han producido descubrimientos de esta envergadura su impacto ha sido impredecible. Auguro que va a suceder algo parecido.

Si repetimos esta entrevista dentro de veinte años y los ordenadores cuánticos están aquí, diremos «jamás habíamos pensado que servirían para esto y esto otro». Cuando en los años 40 empezamos a construir los primeros ordenadores clásicos, que eran gigantescos, nadie imaginó que llegaríamos a tener ordenadores personales, y fíjate ahora dónde estamos.

Imagen de portada | Andreas Heddergott – TUM

Imagen interior (conferencia de Ignacio Cirac) | Diana Martínez Llaser –     Exactas UBA

FUENTE RESPONSABLE: XATAKA. Junio 2021

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Imagen de portada: Gentileza de Recreación artística de un entrelazamiento cuántico – AALTO UNIVERSITY/ HEIKKA VALJA

MADRID, 25 Nov. (EUROPA PRESS) –

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