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¿Existe algo totalmente impredecible en la naturaleza?
Antonio Acín (ICFO/ICREA, Barcelona, ??España) y varios colegas responden a esta pregunta en un artículo en Nature Communications que presenta un protocolo cuántico para amplificar la aleatoriedad de los eventos naturales que sean aleatorios para hacerlos completamente aleatorios. El artículo no demuestra que estos eventos existan en la Naturaleza, pero introduce la siguiente dicotomía: o bien nuestro universo es completamente determinista, o bien existen eventos naturales que son totalmente aleatorios. Todo el mundo sabe que la física clásica es totalmente determinista (aunque el caos determinista limita su predictibilidad) y que la física cuántica permite lo aleatorio, aunque ello no implica la existencia de cualquier forma de aleatoriedad en la Naturaleza. El problema de distinguir entre (pseudo)aleatoriedad y aleatoriedad completa puede parecer de interés sólo para los filósofos, pero también es importante desde un punto de vista práctico, pues los bits aleatorios son útiles en muchas aplicaciones (protocolos criptográficos, juegos de azar o simulación numérica de sistemas físicos y biológicos). El artículo técnico es Rodrigo Gallego et al., “Full randomness from arbitrarily deterministic events,” Nature Communications 4: 2654, 30 Oct 2013 (arXiv:1210.6514 [quant-ph]).
En física clásica cualquier aleatoriedad observada un sistema es manifestación de nuestra descripción imperfecta de dicho sistema. En física cuántica todas las predicciones de los resultados de los experimentos se describen en términos probabilísticos (esto llevó a que físicos como Albert Einstein pensaran que es una descripción incompleta de la realidad). Sin embargo, los teoremas de no-go de John Bell implican que las teorías de variables ocultas (que explican la cuántica aludiendo a un mundo subcuántico clásico) son incompatibles con las predicciones de la mecánica cuántica. En concreto, todas las teorías de variables ocultas compatibles con una estructura causal local predicen correlaciones entre los eventos separados un intervalo de tipo espacio que satisfacen las llamadas desigualdades de Bell, pero estas desigualdades son violadas por algunas correlaciones entre partículas cuánticas. Estas correlaciones tienen su origen en la no-localidad de la física cuántica.
Artículo completo en: Francis (th)E mule Science’s News
Teleportación cuántica de fotones
Gracias a una tecnología híbrida, es posible realizar una transmisión muy fiable de bits cuánticos fotónicos, como se ha demostrado en un experimento cuyos resultados han sido analizados cuidadosamente.Mediante el entrelazamiento cuántico de campos de luz separados en el espacio, unos investigadores japoneses y alemanes han conseguido teleportar qubits (bits cuánticos) fotónicos con notable fiabilidad. Esto significa que se ha logrado dar un paso decisivo una década y media después de los primeros experimentos en el campo de la teleportación óptica. El éxito del experimento llevado a cabo en la ciudad japonesa de Tokio es atribuible al uso de una técnica híbrida en la cual se han combinado dos enfoques tecnológicos conceptualmente distintos y que antes se consideraban del todo incompatibles.En la teleportación cuántica se transfieren estados cuánticos arbitrarios desde un emisor, a quien aquí podemos referirnos como Isabel, hasta un receptor, a quien podemos llamar Miguel, que está alejado en el espacio. Esto requiere que Isabel y Miguel inicialmente compartan un estado de entrelazamiento cuántico a través del espacio que les separa, un entrelazamiento cuántico que puede por ejemplo estar en la forma de fotones entrelazados cuánticamente.
La teleportación cuántica es de importancia fundamental para el procesamiento de información cuántica (la base de la computación cuántica) y la comunicación cuántica. Los fotones son particularmente valiosos como portadores de información ideales para la comunicación cuántica, ya que se les puede usar para transmitir señales a la velocidad de la luz. Un fotón puede representar un bit cuántico, al que se llama abreviadamente «qubit» y que es comparable a un dígito binario (bit) de un sistema clásico de procesamiento de información.
Los primeros intentos de teleportar fotones (partículas de luz) individuales fueron realizados por el físico austriaco Anton Zeilinger. Desde entonces, se han realizado varios experimentos relacionados con este concepto. Sin embargo, la teleportación de bits cuánticos fotónicos utilizando métodos convencionales ha demostrado tener limitaciones debido a deficiencias experimentales y dificultades con principios fundamentales.
En la teleportación cuántica determinista de un bit cuántico fotónico, cada qubit que vuela desde la izquierda y hacia dentro del teleportador, sale de éste por el lado derecho y con una pérdida de calidad de tan sólo un 20 por ciento, un valor que no se puede alcanzar bajo condiciones clásicas, o sea sin entrelazamiento cuántico.
Lo que hace que el experimento realizado en Tokio sea tan diferente es el uso de una técnica híbrida. Con su ayuda se ha logrado la teleportación cuántica completamente determinista, y de fiabilidad bastante buena, de qubits fotónicos. La precisión de la transferencia fue de entre un 79 y un 82 por ciento para cuatro qubits diferentes. Además, se teleportaron los qubits con una eficiencia mucho mayor que en experimentos anteriores, incluso con un grado bajo de entrelazamiento cuántico.El concepto de entrelazamiento cuántico fue formulado por primera vez por Erwin Schrödinger, y describe una situación en la que dos sistemas cuánticos, como por ejemplo dos partículas de luz, están en un estado conjunto, por lo que sus comportamientos son mutuamente dependientes a un nivel mayor del que es posible normalmente (bajo condiciones clásicas). En el experimento de Tokio, se consiguió el entrelazamiento continuo mediante la estrategia de entrelazar muchos fotones en «parejas». Los experimentos previos sólo tuvieron un fotón entrelazado cuánticamente con otro fotón, una solución menos eficiente.»El entrelazamiento de fotones funcionó muy bien en el experimento realizado en Tokio, prácticamente al pulsar un botón, tan pronto como el láser se encendía», destaca el profesor Peter van Loock de la Universidad Johannes Gutenberg en Maguncia, Alemania. Como físico teórico, van Loock asesoró a los físicos experimentales del equipo de investigación dirigido por el profesor Akira Furusawa, de la Universidad de Tokio, sobre cómo podían realizar más eficientemente el experimento de teleportación para poder lograr el éxito de la teleportación cuántica. Este entrelazamiento continuo se logró con la ayuda de «luz comprimida».
Lo que hace que el experimento realizado en Tokio sea tan diferente es el uso de una técnica híbrida. Con su ayuda se ha logrado la teleportación cuántica completamente determinista, y de fiabilidad bastante buena, de qubits fotónicos. La precisión de la transferencia fue de entre un 79 y un 82 por ciento para cuatro qubits diferentes. Además, se teleportaron los qubits con una eficiencia mucho mayor que en experimentos anteriores, incluso con un grado bajo de entrelazamiento cuántico.El concepto de entrelazamiento cuántico fue formulado por primera vez por Erwin Schrödinger, y describe una situación en la que dos sistemas cuánticos, como por ejemplo dos partículas de luz, están en un estado conjunto, por lo que sus comportamientos son mutuamente dependientes a un nivel mayor del que es posible normalmente (bajo condiciones clásicas). En el experimento de Tokio, se consiguió el entrelazamiento continuo mediante la estrategia de entrelazar muchos fotones en «parejas». Los experimentos previos sólo tuvieron un fotón entrelazado cuánticamente con otro fotón, una solución menos eficiente.»El entrelazamiento de fotones funcionó muy bien en el experimento realizado en Tokio, prácticamente al pulsar un botón, tan pronto como el láser se encendía», destaca el profesor Peter van Loock de la Universidad Johannes Gutenberg en Maguncia, Alemania. Como físico teórico, van Loock asesoró a los físicos experimentales del equipo de investigación dirigido por el profesor Akira Furusawa, de la Universidad de Tokio, sobre cómo podían realizar más eficientemente el experimento de teleportación para poder lograr el éxito de la teleportación cuántica. Este entrelazamiento continuo se logró con la ayuda de «luz comprimida».
Fuente: resolviendo.co
Ordenadores cuánticos, la confianza es buena y la prueba es mejor
Un ordenador cuántico puede resolver tareas en las que falla un ordenador clásico. La cuestión de cómo se puede, sin embargo, comprobar la fiabilidad de una computadora cuántica fue respondida recientemente en un experimento en la Universidad de Viena. Las conclusiones se publican en la revista científica Nature Physics.
El aprovechamiento de los fenómenos cuánticos, como la superposición y el entrelazamiento, representa una gran promesa para construir futuros superordenadores utilizando la tecnología cuántica. Una gran ventaja de este tipo de ordenadores cuánticos es que son capaces de realizar una variedad de tareas mucho más rápido que sus homólogos convencionales. El uso de los ordenadores cuánticos para estos fines plantea un reto importante: ¿cómo se pueden verificar los resultados proporcionados por un ordenador cuántico?
Solo recientemente los desarrollos teóricos han proporcionado métodos para poner a prueba un ordenador cuántico sin tener un ordenador cuántico adicional a mano. Un equipo de investigación internacional en torno a Philip Walther en la Universidad de Viena ha demostrado ahora un protocolo nuevo, donde los resultados computacionales cuánticos pueden ser verificadas sin necesidad de utilizar los recursos informáticos cuánticos adicionales.
Trampas para un ordenador cuántico
Con el fin de probar los ordenadores cuánticos los científicos insertaron «trampas» en las tareas. Las trampas son cálculos intermedios cortos de los que el usuario sabe el resultado de antemano. En caso de que el ordenador cuántico no haga su trabajo correctamente la trampa entrega un resultado que difiere del esperado. «De esta manera, el usuario puede verificar el grado de fiabilidad del ordenador cuántico y si realmente lo es», explica Elham Kashefi (Edimburgo) y Joseph Fitzsimons (Singapur), coautores del artículo. Los más trampas que el usuario se basa en las tareas que el mejor, el usuario puede estar seguro de que el ordenador cuántico hecho, calcula con precisión.
«Hemos diseñado la prueba, de tal manera que el ordenador cuántico no puede distinguir la trampa de sus tareas normales», dice Stefanie Barz (Viena), primer autor del estudio. Este es un requisito importante para garantizar que el ordenador cuántico no es capaz de ajustar el resultado de la prueba. Los investigadores también probaron si el ordenador cuántico realmente recurre a los recursos cuántica. De esta manera, pueden asegurarse de que incluso un ordenador cuántico maliciosamente construido no puede engañar y aceptar resultados erróneos.
Aplicación de la idea con fotones
Para esta primera demostración, los investigadores utilizaron una computadora cuántica óptica, donde las partículas de luz individuales, llamadas fotones, llevan la información. El protocolo demostrado es genérico, pero los ordenadores cuánticos ópticos parece que son ideales para esta tarea. La movilidad de los fotones permite una fácil interacción con el ordenador cuántico. Philip Walther es optimista sobre las perspectivas planteadas por este experimento que muestra mecanismos de control prometedores para futuros ordenadores cuánticos. Y, por otra parte, que podría conducir a nuevas herramientas para sondear los recursos más complejos de la cuántica.
Fuente: Stefanie Barz, Joseph F. Fitzsimons, Elham Kashefi, Philip Walther. Experimental verification of quantum computation. Nature Physics, 2013; DOI:10.1038/nphys2763
Ordenador cuántico que se mantiene refrigerado a la temperatura más baja conocida
En este video y en estas fotografías de Steve Jurvetson aparece el ordenador cuántico D-Wave como los adquiridos por Google o la Nasa.
El vídeo es un poco decepcionante porque el D-Wave no es más que una caja con algunas luces como el mítico ordenador WOPR y porque sigue habiendo dudas de que los ordenadores de D-Wave sean todo lo cuánticos que deberían ser los ordenadores cuánticos.
Sí impresiona que, según se puede ver en el vídeo, el ordenador está funcionando a 0,0138 kelvin. Es decir, a una temperatura ligeramente por encima del cero absoluto que equivale a 273 C bajo cero.
Ese es necesario para que los componentes adquieran sus propiedades superconductoras de la electricidad y hacen de este ordenador el lugar más frío conocido con una temperatura más baja que cualquiera que se haya encontrado de forma natural en el universo.
Fuente: microsiervos
Los comienzos de la apofenia cuántica
Spinoza decía que no existe orden en el universo, sino que es nuestra mente la que lo ordena. El llevar esta necesidad primate de encontrar pautas más allá de lo razonable es lo que se denomina apofenia. Una de sus manifestaciones es la numerología, que ha aparecido en muchas civilizaciones a lo largo de la historia, no porque encierre algo de verdad, sino porque los humanos seguimos siendo humanos. Hablábamos en un artículo anterior de que inteligencia no implica racionalidad, y la tentación apofénica es demasiado bella*, sobre todo para los matemáticos de formación y corazón como Arnold Sommerfeld, como para no caer fácilmente en sus redes. Es la tentación en la que cayó Kepler. Y nada podía ser más tentador que la existencia de relaciones de números enteros en la cuántica y en la interpretación de las líneas espectrales…
A finales de 1919 Arnold Sommerfeld publicaba Atombau und Spaectrallinienque rápidamente se convertiría en la “biblia” de los científicos y estudiantes que trabajaban en las teorías atómica y cuántica.
En las primeras semanas de 1920 Sommerfeld empezó a recibir cartas elogiosas con el libro. Tanto teóricos como experimentalistas parecían encantados con el texto y su utilidad. David Hilbert le contaba que había leído el “magistral” libro “con una alegría creciente día a día” o Pieter Zeeman afirmaba que se leía como “una novela apasionante”. Aunque también recibió alguna crítica menor, como la de Max Born (que señalaba cierto ombliguismo muniqués en detrimento de las aportaciones de Gotinga o Copenhague), las críticas abrumadoramente fueron positivas. Con ellas, sin embargo, llegaron algunas solicitudes; algunas que cabía esperar (conferencias, artículos técnicos, participaciones en cursos y seminarios, visitas), pero otras completamente inesperadas y sorprendentes para el autor. Veamos cuáles y por qué.
Como para tantos otros teóricos, la estética era esencial para el trabajo de Sommerfeld en la teoría cuántica de las líneas espectrales. El mismo hombre que hablaría de una aproximación anti-filosófica a la cuántica, una aproximación de “detalles prácticos”, en la misma época no pudo evitar el lirismo de hablar de la armonía de los “misterios numéricos” que el estudio de las líneas espectrales permitían vislumbrar. En este sentido el prefacio delAtombau haría sonrojar a cualquier científico, digamos, serio:
Lo que hoy oímos del lenguaje de los espectros es una verdadera “música de las esferas” en el átomo, acordes de relaciones integrales, un orden y una armonía que se hace cada vez más perfecta a pesar de la múltiple variedad. La teoría de las líneas espectrales llevará el nombre de Bohr siempre. Pero también otro nombre se asociará siempre con ella, el de Planck. Todas las leyes integrales de las líneas espectrales surgen originalmente de la teoría cuántica. Es el órganon misterioso con el que la naturaleza toca su música de los espectros, y con cuyo ritmo regula la estructura de los átomos y núcleos.
Sommerfeld reaccionó con una furia evidente cuando el Süddeutsche Monatshefte le contactó, probablemente tras leer cosas como la anterior o artículos como “Un misterio numérico en la teoría del efecto Zeeman” publicado por Sommerfeld en Die Naturwisenschaften en 1920, solicitándole un artículo sobre astrología (no, no me he confundido con astronomía). Escribió precisamente en el Süddeutsche Monatshefte:
¿No nos choca como un anacronismo monstruoso que en el siglo XX un periódico respetado se vea impelido a solicitar un artículo sobre astrología?¿Qué amplios círculos del público educado y medio-educado estén más atraídos por la astrología que por la astronomía?¿Que en Múnich haya probablemente más gente viviendo de la astrología que activos en astronomía?
Sommerfeld aseguró tras aquello que “se enfrentaría decididamente contra la creciente marea de irracionalismo que amenaza con barrer los restos de una cultura europea que razone”. Quizás no demasiado curiosamente, casi cien años después estábamos donde estábamos. ¿Será porque seguimos siendo humanos?
*Si bien Spinoza diría, y nosotros coincidimos con su apreciación, que no existe la belleza objetivamente: algo es “bello” porque me gusta y no al revés.
Fuente: Cuaderno de Cultura Científica
Imagen: Alessandro Volta via photopin cc
Teletransporte de información con ordenadores cuánticos
Las unidades mínimas de información de los ordenadores actuales son los Bits, que pueden tomar el valor 0 o el valor 1. Sin embargo, los ordenadores cuánticos, cuya unidad mínima de información es el Qubit, pueden almacenar 2 valores por cada vector por lo que las posibilidades de multiplican. Con esta imagen lo entenderéis mejor.
Y ahora aparece el debate, ¿son estos ordenadores capaces de teletransportar información? Y aunque os parezca mentira, la respuesta es SÍ.
Es más, investigadores del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich han conseguido teletransportar información de un lugar a otro una distancia de 6 milímetros. 6 milímetros no parece gran cosa, pero sin duda abre las puertas a preguntas sobre como intercambiaremos información en el futuro.
Para este experimento el equipo creó tres circuitos micrométricos en un chip de computadora de 7 x7 milímetros. Dos de estos circuitos funcionan como emisores de datos y el tercero como receptor. Y para empezar, los investigadores enfriaron el chip hasta temperaturas cerca del 0 absoluto. Los electrones (que son en realidad los Qubits de información de un ordenador) se vincularon unos a otros ycompartieron estados cuánticos idénticos (tal y como predice la mecánica cuántica).
¿Que significa esto? Que los electrones del emisor se habían vinculado con los del receptor,intercambiando fotones. En este punto, los investigadores codificaron información en los circuitos del emisor, y esta, era reflejada instantáneamente en los circuitos del emisor que se encontraba a 6 milímetros de distancia. Es decir, la información se había teletransportado.
Algo que no ocurre con los ordenadores normales, ¿verdad? La información viaja a través de cables o a través de ondas de radio, sin embargo, es este caso, la información apareció en un lugar, desapareciendo de otro lugar (próximo, sí, pero no conectado de ninguna manera habitual). Además, el equipo de investigación, consiguió teletransportar 10.000 qubits por segundo de información del emisor al receptor de forma consistente, y consiguieron aumentar la distancia de la teletransportación.
Sin embargo, y aunque esto es un logro impresionante, el equipo nos cuenta que esto no ocurre cada vez que realizan el experimento, si no un porcentaje bastante bajo de las veces que bajan la temperatura del chip. Un dato, que no es en absoluto deprimente, ya que las investigaciones continúan y es posible que un día, podamos sencillamente apretar un botón y pasar información de un lado a otro por medio de la teletransportación, sin ningún dispositivo o cable conectado a nuestro ordenador.
Fuente: Medciencia
Física microscópica de los diodos superconductores de tipo Josephson
Un diodo Josephson está formado por dos superconductores separados por un aislante muy estrecho, tanto que las funciones de onda de los pares de Cooper a ambos lados se solapan produciendo una (super)corriente entre ambos por efecto túnel. El mecanismo microscópico responsable es la aparición de estados dobletes de Andreev cuyos niveles de energía están relacionados con la diferencia de fase entre los pares de Cooper a ambos lados del aislante. Se publica en Nature la primera observación experimental por espectroscopia de los estados dobletes de Andreev, que se comportan como fermiones (tienen espín 1/2) localizados a modo de “puentes” entre ambos superconductores. Bretheau et al. han detectado por primera vez estos estados usando la técnica de espectroscopia por absorción de fotones. Nos lo cuentan Simon Gustavsson y William D. Oliver, “Quantum physics: Andreev states taken to the next level,” Nature 499: 286–287, 18 Jul 2013, haciéndose eco del artículo técnico de L. Bretheau et al., “Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact,” Nature 499: 312–315, 18 Jul 2013.
¿Para qué puede servir la manipulación de los estados de Andreev? Bretheau y sus colegas afirman que estos estados pueden usarse en computación cuántica (para el desarrollo de nuevas puertas lógicas cuánticas) y además podrían servir como sistema físico análogo a partículas de Majorana (gracias a sus interacciones con el espín y el momento angular de los electrones). Pero quizás lo más interesante de la “física de los estados de Andreev” es que permitirá conocer mejor algunas propiedades microscópicas de la superconductividad.
Ampliar en: Francis (th)E mule Science’s News
Los posibles ordenadores del futuro
Un entretenimiento común es imaginar qué podrán hacer los ordenadores del futuro… y la imaginación es el único límite. Pero todas las especulaciones parten de que vamos a tener máquinas capaces de funcionar a mucha mayor capacidad, con mucho mayor almacenamiento de datos. El problema es cómo conseguirlo.
Quizá las moléculas vivientes, como el ADN, puedan ser las sucesoras del ordenador electrónico que ha dominado nuestra vida desde la década de 1970. Ya en 2003, el científico israelí Ehud Shapiro consiguió crear un “ordenador” biomolecular en el que moléculas de ADN y enzimas que hacen que el ADN produzca determinadas proteínas podrían resolver problemas como la identificación de ciertos tumores en sus etapas más tempranas. Un ordenador que utilizara cadenas de ADN para realizar las operaciones de proceso de datos podría ser, en teoría, miles de veces más poderoso y rápido que los mejores procesadores electrónicos de hoy en día, al menos en ciertos tipos de procesos.
En el terreno de los posibles ordenadores biológicos, también se trabaja en uno formado por neuronas, es decir, las células del sistema nervioso de los animales. En 1999 se desarrolló el primero, formado por una serie de neuronas procedentes de sanguijuelas, donde cada neurona representaba un número y las operaciones se realizaban conectando a las neuronas entre sí. Uno de los atractivos de los ordenadores de neuronas es, según Bill Ditto, creador de este sistema pionero, que hipotéticamente pueden alcanzar soluciones sin tener todos los datos, a diferencia de los ordenadores electrónicos. Al poder realizar sus propias conexiones, en cierto modo estas neuronas podrían “pensar” de modo análogo, a grandes rasgos, a como pensamos nosotros cuando tratamos de resolver un problema sin datos suficientes.
Pero el área de trabajo más intenso como alternativa al ordenador electrónico es la informática cuántica, que trabaja a niveles subatómicos.
En el mundo a nuestra escala, los ordenadores trabajan con un lenguaje binario, es decir, que cada elemento de su lógica o “bit” sólo puede tener uno de dos valores: 1 o 0. Las operaciones de proceso de datos van transformando cada bit hasta que llega a un valor final que es la solución del problema.
Pero en un ordenador cuántico no tenemos bits sino qbits (bits cuánticos), que debido a las propiedades de las partículas elementales que describe la mecánica cuántica, pueden tener un valor de 0, de 1 o de una“superposición” de esos dos valores, es decir, ambos a la vez. Pero si tomamos un par de qbits, pueden estar cualquier superposición de cuatro estados. Así, la cantidad de qbits para representar la información en un ordenador cuántico es mucho menor que la cantidad de bits en uno electrónico y la cantidad de procesos que puede realizar es mucho mayor y a mayor velocidad, explorando diversas opciones para cada problema.
Los primeros ordenadores cuánticos comerciales han sido ya adquiridos por una empresa aeroespacial y por el gigante de las búsquedas en Internet, Google. La decisión se tomó después de constatar que el ordenador cuántico resolvía en medio segundo un problema que le tomaba media hora a uno de los más poderosos ordenadores industriales existentes.
Por más que nos pueda asombrar cuánto ha avanzado la informática desde sus inicios en 1946, es posible que apenas estemos por salir de la infancia de los ordenadores. Y el futuro será todo, menos predecible.
Ampliar en: Los expedientes Occam
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