Revolución Cuántica

Revolución Cuántica

Documental “Revolución Cuántica”

Título: Revolución Cuántica
Productoras: Perimeter Institute For Theorethical Phisics / Canal Odisea
Duración: 53 min
Año: 2009

Esta vez toca realizar una mirada a lo más pequeño, allá donde descubridores del pasado y del presente han estado y están escudriñando, el universo más poderoso, minúsculo y extraño imaginable: el universo cuántico, un mundo extraño, cada vez más sofisticado y paradójico y con un potencial ilimitado donde se dan fenómenos fascinantes que están siendo aprovechados para desarrollar nuevas tecnologías.

Pero empecemos por el principio, por algunos apuntes de la física clásica.

Isaac Newton, con unas pocas ecuaciones matemáticas de primer grado describió y predijo el movimiento de los planetas, con lo que comprendió el poder de las matemáticas y el hecho de que se pueden utilizar estas ecuaciones para predecir el futuro, descubriendo así que el mundo es fundamentalmente predecible.

James Clerk Maxwell demostró que la electricidad y el magnetismo también pueden resumirse con unas pocas ecuaciones matemáticas, ecuaciones que tuvieron una enorme repercusión en el desarrollo tecnológico del siglo pasado.

Con la unión de lo aportado por estos 2 físicos, los científicos pensaban que ya se conocía cómo funcionaba el mundo real: que las cosas orbitaban las unas alrededor de las otras y que casi todo lo que se transmitía, incluida la luz, se hacía en forma de ondas.

Hasta que llegó Max Planck, que fue el que nos hizo cambiar del mundo clásico a la era cuántica, la del láser, los CDs, los ordenadores, los dispositivos de comunicación y un largo etcétera. Fue en 1900 cuando este físico, que trataba de averiguar por qué los objetos cambiaban de color al calentarse, para lo cual usaba las leyes de la física clásica, descubrió que estas leyes no funcionaban, con lo que intentó aplicar un método realmente nuevo, un conjunto de hipótesis nuevas. Su nuevo método funcionó y consiguió la respuesta correcta.

El problema que tenía esta nueva hipótesis es precisamente que no se ajustaba a las leyes de la física clásica, dando una explicación muy precisa que ni el mismo Planck creía.

En escena aparecería “un tal” Albert Einstein, que no era conocido por ese entonces, y fue la primera persona que se tomó en serio las ideas de Planck. Einstein descubrió algo que Planck no podía creer: que la luz no es sólo una onda continua sino que a veces se comporta como una partícula, lo que se conoce como la dualidad onda-partícula. Vio que la luz actúa como si llegara a fragmentos, a pedazos, a cuantos, en este caso a cuantos de luz o fotones.

Esta sospecha ya aparecía en la obra de Planck, aunque para él no se trataba de otra cosa que un artificio matemático. Sin embargo Einstein se dio cuenta que no se trataba de matemáticas sino de física, gracias a lo cual se pudieron extraer consecuencias y demostrar experimentos que no podían explicarse con las ondas. La obra de Einstein marcaría un punto de inflexión en el desarrollo de la física moderna.

En 1913 Niels Bohr comenzó a aportar datos a la teoría cuántica al explicar la estructura del átomo usando ecuaciones de primer grado, explicando las propiedades de los átomos haciendo uso de la mecánica cuántica, utilizando el conocido como modelo planetario, que es similar al de la Tierra que gira alrededor del Sol sólo que en este caso, en el de los átomos, los electrones giran alrededor del núcleo, aunque no lo hacían del mismo modo que los planetas alrededor del Sol; sólo podían hacerlo a ciertas distancias concretas, lo que los físicos cuánticos denominan distancias concretas o cuantificación.

Max Planck

Max Planck, el padre de la teoría cuántica

La teoría de Bohr, además, suponía que los electrones se comportaban como partículas, hasta que apareció el físico francés Louis de Broglie, con el cual se descubrió que los electrones también pueden comportarse como ondas, aunque no explicaban todo el fenómeno cuántico, con lo que estas teorías quedaban en puntos inconexos.

Es por este motivo que era necesaria una teoría para unir dichos puntos y aclarar cómo una onda podía actuar como una partícula y viceversa y explicar, de este modo, el misterio de la dualidad onda-partícula de la luz y la materia.

En 1925, el físico austríaco Erwin Schrödinger formuló la ecuación que lleva su nombre (ecuación de Schrödinger), que sentaría las bases de lo que acabó siendo una teoría completa de la mecánica cuántica, lo cual sirvió no sólo para comprender todos los fenómenos cuánticos anteriores sino que sirvió como una manera sistemática de explorar el mundo atómico para encontrar efectos cuánticos nuevos e inesperados.

Si bien la teoría cuántica fue realmente útil e hizo posibles muchas de las tecnologías de hoy en día, planteó muchas más preguntas que respuestas. Muchas de estas preguntas las presenta el experimento de la doble rendija, o experimento de Young, que es una metáfora para explicar la dualidad onda-partícula.

En la física clásica tenemos ondas, como las sonoras o las electromagnéticas, y también tenemos partículas, que podríamos representar mentalmente como bolas de billar. Pero a partir de la mecánica cuántica, una partícula, como un electrón, a veces puede comportarse como una onda, y el experimento de la doble rendija contiene la esencia de la mecánica cuántica.

En este experimento un haz de electrones se proyecta sobre un panel con dos rendijas estrechas en paralelo, y luego sobre una pantalla. Cuando se hace este experimento con las luces encendidas no ocurre nada raro; los electrones forman el mismo patrón en la pantalla que se esperaría si lanzáramos cualquier otra cosa como chicles, por ejemplo.

Pero cuando apagamos las luces sucede algo sorprendente: en la pantalla se observa una serie de máximos y mínimos; los máximos son donde se acumulan los electrones y los mínimos son los lugares que lo evitan, y esto precisamente es lo que esperaríamos ver al enviar ondas a través de la doble rendija.

Esto es lo que se denomina patrón de interferencias y se explica matemáticamente por la ecuación de las ondas de Schrödinger, que predice el patrón de interferencia observado, pero la teoría cuántica no explica dónde está la partícula cuando pasa por las rendijas.

Y es que la diferencia fundamental entre la física clásica y la cuántica es que en la física clásica se pueden predecir tanto las posiciones como las velocidades de las partículas, mientras que en la teoría cuántica no se puede predecir ni lo uno ni lo otro.

En la física clásica estamos acostumbrados a que todo funciona del mismo modo independientemente de que nosotros lo veamos o no; podemos observarlo, pero nunca cambiarlo, funciona según sus propias reglas. Este no es el caso de la mecánica cuántica, en el que si observamos algo, este algo cambia su comportamiento.

¿Pero cómo puede ser que sólo observando podamos afectar el modo de comportamiento de algo? Porque aunque observar sólo significa mirar, una actividad pasiva, la observación siempre requiere luz, y en el mundo cuántico la luz viene en fragmentos llamados fotones, así que los fotones pueden hacer que los electrones se comporten de un modo distinto. En este caso los fotones hacen que los electrones actúen como partículas, por lo que el patrón de interferencia en la pantalla desaparece.

Además, del experimento se desprende que mientras un objeto cuántico no se mide o no interacciona mucho con su entorno, por lo general no tiene una posición definida; normalmente se distribuye en muchas posiciones en lo que se denomina superposición cuántica.

Los objetos cuánticos se comportan como si pudieran ser y pudieran hacer varias cosas a la vez. Por ejemplo los electrones pueden pasar por las dos rendijas a la vez.

Estas teorías ponían en tela de juicio la noción de realidad.

Varios protagonistas de la física cuántica

Varios protagonistas de la física cuántica. Erwin Schrödinger, Niels Bohr, Richard Feynman y Thomas Young

Erwin Schrödinger se dio cuenta que si se aplicaran las superposiciones al mundo cotidiano, darían lugar a predicciones extrañas, y para ilustrar este hecho preparó un experimento gedanken, un experimento mental, es decir, imaginario.

Al experimento de Schrödinger se le conoce como El gato de Schrödinger, y lo hizo para demostrar cuan absurda era la mecánica cuántica.

La idea es: cogemos un gato y lo metemos en una caja, totalmente aislado del exterior. En la caja también hay un martillo y una probeta llena de cianuro. La caja también tiene un mecanismo de control accionado por un solo átomo que puede descomponerse radiactivamente. Cuando el átomo se descompone, el detector activa el martillo de modo que se rompe la probeta y se libera el cianuro, lo cual mataría al gato. Y si no se descompone el átomo, no se activa el martillo y, por lo tanto, el gato no muere.

Si suponemos que después de una hora hay un 50% de probabilidad de que el contador Geiger haya detectado algo, hasta que no miremos dentro existe la posibilidad de que el gato esté o bien vivo o bien muerto; si creemos en la mecánica cuántica, el gato en ese momento se encuentra a la vez vivo y muerto.

La intención de Schrödinger era demostrar que es absurdo pensar que el gato está muerto a la vez que vivo por el hecho de que sea descrito por una superposición y que, de la misma manera, debemos reconsiderar la idea de los electrones en superposición.

Lo importante de este experimento es que la superposición no se puede explicar usando los términos de los conceptos clásicos y es precisamente esto lo que hace que la mecánica cuántica sea tan misteriosa.

A Einstein le seguía intrigando esta aparente paradoja. Él creía que se podría entender todo si se lograra una teoría más exhaustiva, más completa, así que decidió realizar otro experimento gedanken en Princeton con sus colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen. Con él demostraron que ciertas combinaciones o superposiciones de partículas pueden combinarse de un modo extraño y contradictorio que no puede explicarse con la física clásica. Al experimento se le conoce como la paradoja Einstein-Podolosky-Rosen o paradoja EPR.

Según la mecánica cuántica, es posible que 2 partículas estén tan estrechamente entrelazadas que forman un sólo sistema en el que ninguna de las partículas tiene un estado cuántico por sí misma. Así pues lo que hicieron (mentalmente, recuerda) fue coger un par de partículas así y separarlas muy lejos, tal vez a años luz de distancia.

Habría un observador midiendo la partícula A, dándole así un estado que no tenía antes y, por lo tanto, al realizar la medición, también se estaría determinando el estado de la partícula B, un estado que según la mecánica cuántica no existía previamente.

Experimento de la doble rendija

Experimento de la doble rendija. A la izda. los electrones son lanzados con la luz encendida, comportándose como partículas. A la dcha. con la luz apagada. comportándose como ondas

Para Einstein esto era imposible: ¿cómo era posible que medir una cosa en un lugar afectara instantáneamente a algo que está a años luz de distancia? Así que él y sus colaboradores establecieron que el estado de la partícula B debía existir con anterioridad y que por lo tanto la mecánica cuántica estaba incompleta.

El mismo año en que se realizó el experimento, 1935, Einstein llamó al hecho de medir una cosa aquí y que cambie algo que está muy lejos “una espeluznante acción a distancia”.

Él creía que el mundo debía ser reconocible a la larga, lo cual desafiaba a la mecánica cuántica, y de ahí es donde pronunció la famosa frase “Dios no juega a los dados con el universo”.

Schrödinger denominó este fenómeno en alemán “Derschränkung”, entrelazamiento, una conexión muy fuerte y definida, y ahora se sabe que el entrelazamiento es una conexión entre partículas mucho más fuerte de lo que se puede conseguir con la física clásica.

En 1964, el físico John Bell desarrolló, gracias al láser, un experimento para demostrar que lo que Einstein pensaba que era imposible no lo era.

El experimento se basaba en producir pares de fotones que volaran en dirección opuesta y cuando estuvieran a 12 m de distancia el uno del otro, medirlos exactamente en el mismo instante. La idea es que las 2 mediciones deben ser independientes del concepto de relatividad, es decir, que la medición en un lado no debería influir en la medición en el otro lado.

La relatividad especial reza que nada puede viajar más rápido que la luz, lo que significa que lo que uno hace en un extremo del experimento no tiene tiempo de llegar al otro. Así que lo que hizo Bell fue medir la polarización de cada fotón.

Los fotones se pueden polarizar verticalmente, horizontalmente o en diagonal a 45º, pero la pareja de fotones entrelazados están polarizados al mismo tiempo vertical y horizontalmente, algo ciertamente extraño. El resultado de las mediciones fue lo que predecía la mecánica cuántica, que es que cualquiera que sea de la dirección de la medición de un lado, al medir el otro lado, se descubre que ambos fotones se alinean en la misma dirección.

Esto quiere decir que los resultados de las mediciones están estrechamente correlacionados, más que cualquier correlación concebida por la física clásica. Significa que cuando los 2 fotones están situados a 12 m de distancia continúan comportándose como un solo objeto, lo cual Einstein daba por imposible.

Los experimentos de Alain Aspect, otro físico experimental, establecieron que esos efectos cuánticos eran reales, aunque no quedaba claro cómo encontrarles el sentido con nuestra manera habitual de pensar.

La mecánica cuántica nos da una descripción increíblemente precisa de la conducta de la luz y de la materia, lo cual ayudó a que científicos posteriores pudieran desarrollar el láser o el transistor, que son el núcleo de nuestro mundo electrónico.

En 1985 Richard Feynman escribió un artículo en el que hablaba de la posibilidad de que los ordenadores funcionaran haciendo uso de principios cuánticos. Una vez que entendemos que la información es física, uno puede plantearse si las leyes de la física limitan el modo en el que se procesa la información, y puede que la física cuántica nos proporcione un mecanismo completamente nuevo para procesar y comunicar la información.

¿Hay diferencia entre la información clásica y la cuántica? La respuesta es sí.

Experimento del gato de Schrödinger

Experimento del gato de Schrödinger. Mientras no observemos dentro de la caja, el mágico gato está vivo y muerto a la vez. Crédito: Wikipedia/FDL

El bit es la unidad básica de la información y puede tener 2 estados: 1 y 0, encendido o apagado. En el mundo cuántico están los bits cuánticos o cubits, que pueden estar superpuestos y por lo tanto tener el 1 y el 0 al mismo tiempo.

Esto confirma la ley de Moore, del fundador de Intel Gordon E. Moore, que predijo hace 20 años que esto ocurriría al indicar que cada 2 años se duplica el número de transistores en un circuito integrado, con lo que se espera que en los próximos 20 años los transistores, que son la base de los dispositivos informáticos, tengan el tamaño de un átomo.

Uno de los logros de esta 2ª revolución cuántica es la creación de herramientas increíblemente precisas como los relojes atómicos, que son los dispositivos para medir el tiempo más precisos del mundo. Tal es su precisión que si fabricáramos uno de estos relojes y lo dejáramos funcionando durante 60 millones de años no perdería más de 1 segundo.

La tesis de Church-Turing, que viene a decir que todos los ordenadores normales clásicos son esencialmente equivalentes; no trabajan a la misma velocidad pero sí actúan siguiendo las mismas normas, se comportan de manera parecida.

En el caso de la computación cuántica esto no es así; los ordenadores cuánticos, que podrán  realizar ciertas tareas exponencialmente más rápido que los ordenadores actuales,  se basan en que el estado cuántico de la memoria de un ordenador contiene mucha mas información que sus descripciones clásicas. También será distinto porque no almacenará bits clásicos sino bits cuánticos, que pueden tener muchos estados.

Una de las aplicaciones de los ordenadores cuánticos seria la de simular sistemas cuánticos, lo cual tiene unas aplicaciones potenciales tremendas. Algunas de ellas serían, por ejemplo, ayudar a diseñar nuevos superconductores para que los trenes funcionen con levitación magnética (los trenes maglev); nuevos medicamentos para tratar enfermedades, simulando los átomos de un medicamento para decirnos cómo interactuará con otras sustancias químicas; detectar cosas mucho mejor y de manera más precisa, como el mercurio en el pescado, la presencia de plomo en los juguetes, detectar bombas bajo el suelo (minas terrestres), etc.

Peter Shor demostró que si se pudiera construir un ordenador cuántico también se podría utilizar para factorizar números grandes, algo que con números muy largos (como 400 cifras) ni siquiera el ordenador más potente de la actualidad puede hacer. Esto podría servir para decodificar los métodos más comunes e importantes de codificar información secreta, incluidos los usados en los bancos, satélites o tarjetas de crédito.

Y por ende podría servir para crear los códigos más secretos del mundo, los códigos cuánticos, ya que en la criptografía cuántica no se puede descifrar un código sin ser detectado. A este hecho se le podría llamar el efecto del observador ruidoso.

De hecho la criptografía cuántica ya se utilizó para asegurar las elecciones de Suiza de 2007, asegurando los cables de fibra óptica que unían los lugares donde se encontraban las papeletas y los ordenadores del estado, siendo así la 1ª aplicación pública y material de la información cuántica.

La aplicación cuántica más asombrosa es la llamada teletransportacion cuántica, que no transmite materia de un sitio a otro, como sucede en las películas de ciencia ficción, sino que lo que se transmite es la información cuántica gracias al entrelazamiento, transmitiendo la información de un lugar a otro.

En 2004 se hizo un experimento de transportación cuántica a través del río Danubio, colocando un cable de fibra de vidrio que iba de una orilla a otra a 600 m de distancia, cruzando a través de un alcantarilla, por lo que se llamó el experimento del tercer hombre, en honor a la película El tercer hombre, con Orson Welles, rodada en las alcantarillas de Viena.

Se crearon fotones entrelazados usando un láser muy potente y especial que hace que un fotón de alta energía pueda descomponerse en 2 fotones de baja energía que luego se entrelazan. Se envió uno de los 2 fotones al otro lado del río y el otro se mantuvo en el sitio original. Este fotón se encuentra con un tercer fotón, el que será teletransportado. Al entrelazar estos 2, las propiedades cuánticas del 3º se transfieren a la partícula del otro lado del río, terminando así la teletransportación.

A la larga se pretende llegar a los satélites y a establecer la comunicación cuántica a escala mundial.

Ordenador cuántico de D-Wave Systems

Aquí dentro no está el gato de Schrödinger. Se trata del primer ordenador cuántico, de la empresa D-Wave Systems, del 2011, con un procesador de 128 cubits. Tela marinera

¿Qué hace falta para construir un ordenador cuántico? Los principios de la informática cuántica ya se conocen perfectamente, aunque lo que es difícil es su puesta en práctica. Ni siquiera se sabe que aspecto tendrá un ordenador cuántico, ya que sólo hay modelos teóricos (en el momento de realizar el documental).

Por ejemplo, un ordenador cuántico requiere el mantenimiento de las superposiciones cuánticas de los cubits para que funcionen correctamente, del mismo modo que pasaba con el experimento de la doble rendija, en el que sucedía una cosa si había luz y otra si no había, con lo que deberían estar muy protegidos y aislados para que nada pudiera afectar las superposiciones, manteniendo así su estado cuántico.

Las partículas cuánticas interactúan con el entorno, entendiendo el entorno todo lo que rodea el sistema de partículas cuánticas, como podría ser el polvo, campos magnéticos, la radiación o cualquier cosa que pueda llevar a un comportamiento no deseado del sistema que se está tratando de controlar.

Una manera es almacenar los cubits en una trampa de iones, que sería parecido a hacer girar una canica alrededor del centro de un cuenco, sólo que en el cuenco la canica a veces estaría a la izquierda y otras a la derecha pero en el caso de los cubits éstos estarían a la vez a la izquierda y a la derecha.

Para tener una idea de la diferencia entre la computación actual y la cuántica, y del poder de esta última, 12 bits cuánticos equivalen a 1000 bits clásicos, que es lo que tenían los ordenadores de la década de los 50, con lo que cuando se sea capaz de crear ordenadores con 60 o 70 bits cuánticos, habremos conseguido una máquina más potente que todos los ordenadores “normales” que hay en el mundo juntos.

BONUS:

Hay en Internetes una web muy interesante donde la gente cuelga algunos vídeos (…) y en la que puedes ver el documental de esta entrada, una explicación del experimento de la doble rendija, del del gato de Schrödinger o del entrelazamiento cuántico, entre infinitas cosas más…

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Publicado el 11/02/2013 en Docus. Añade a favoritos el enlace permanente. Deja un comentario.

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