El físico que trajo orden al “caótico zoológico” de partículas subatómicas.

En 1961, el científico estadounidense Murray Gell-Mann y el físico israelí Yuval Neeman propusieron de forma simultánea pero independiente un sistema de clasificación de las partículas elementales pesadas descubiertas poco antes, formulando la Teoría del Camino Óctuple que organiza las partículas subatómicas bariones y mesones en octetos. Como consecuencia de dicha teoría, Gell-Mann predijo la existencia de una nueva partícula, que denominó omega negativa y que fue descubierta en 1964.

La teoría de Gell-Mann aportó orden al caos que surgió al descubrirse cerca de 100 partículas en el interior del núcleo atómico. Esas partículas, además de los protones y neutrones, estaban formadas por otras partículas elementales que se mantienen unidas gracias al intercambio de gluones.

Gell-Mann las denominó quarks, recordando la frase “Three quarks for Muster Mark”, que aparece en el libro Finnegans Wake de James Joyce.

Junto con otros investigadores Gell-Mann construyó la teoría cuántica de quarks y gluones, llamada cromodinámica cuántica. En 1963, de forma independiente Murray y George Zweig presentaron la teoría del quark y supusieron que los quarks, que transportan cargas eléctricas fraccionarias, eran componentes de la materia aún más pequeños que las partículas elementales.

El quark y el jaguar. Aventuras en lo simple y lo complejo - Búsqueda de Google

Gell-Mann era un gran físico, pero en realidad era un sabio cuyo interés abarcaba todos los campos del conocimiento. Así lo acaba de reconocer en un comunicado el Instituto de Santa Fe, quien subrayó del investigador que, pese a su contribución a la física, siempre quiso comprender «la cadena de relaciones» que conectan las leyes universales de la física con sistemas complejos como la economía y la cultura humana. De hecho, en su obra El quark y el jaguar. Aventuras en lo simple y lo complejo, [DESCARGAR AQUI] publicada en 1994, abordaba desde lo más simple y pequeño de la materia hasta el mecanismo vital de los mamíferos.

Murray, una leyenda viviente de la física contemporánea, era conocido como “el hombre de los cinco cerebros”. No en vano fue un niño prodigio, un auténtico superdotado. A los 15 años se matriculó en la Universidad de Yale y con 21 ya era doctor en el Instituto Tecnológico de Massachussettss, el mítico MIT. Hablaba 13 idiomas de forma fluida y ha investigado en temas tan diversos como arqueología, ornitología, psicología, literatura, historia, evolución de los idiomas, teoría de la complejidad y, por supuesto, muchas ramas de la física teórica.

Nuevos efectos cuánticos en la antimateria

Ahmadi, M., Alves, B.X.R., Baker, C.J. et al. Investigation of the fine structure of antihydrogen. Nature 578, 375–380 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2006-5. DESCARGAR

La colaboración científica ALPHA del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) ha realizado las primeras mediciones en el antihidrógeno de ciertos efectos cuánticos, como el llamado efecto Lamb. Las medidas son consistentes con la teoría y las propiedades del hidrógeno ‘normal’, subrayando las simetrías entre la materia y la antimateria.

Trabajando con antihidrógeno, la contraparte de antimateria del hidrógeno, científicos del experimento ALPHA del CERN informan esta semana en la revista Nature que han logrado medir ciertos efectos cuánticos por primera vez en estos ‘antiátomos’.

Los efectos, relacionados con la estructura fina y una pequeña diferencia en los niveles energéticos del hidrógeno conocido como efecto Lamb, se sabe que se producen en la materia. Con estudios como este se intentan encontrar diferencias entre el comportamiento de la materia y la antimateria, pero todavía no se han observado.

De momento, los resultados muestran que las mediciones son consistentes con las propiedades y predicciones teóricas de los efectos en el hidrógeno ‘normal’, además de servir para allanar el camino para tomar medidas cada vez más precisas de estos valores. “Encontrar cualquier diferencia entre las dos formas de materia sacudiría los cimientos del modelo estándar de física de partículas, y estas nuevas mediciones exploran aspectos de la interacción de la antimateria, como el efecto Lamb, que siempre hemos querido abordar”, dice el investigador Jeffrey Hangst, portavoz del experimento ALPHA. “Lo siguiente en nuestra lista será enfriar grandes muestras de antihidrógeno usando técnicas de enfriamiento láser de última generación –adelanta–. Estos métodos transformarán los estudios de antimateria y permitirán realizar comparaciones de alta precisión sin precedentes entre la materia y la antimateria”.

VER ARTICULO COMPLETO EN SINC

 

La supremacía cuántica.

En el programa de EUREKA indagamos en la noticia de que Google ha alcanzado la la supremacía cuántica que es equivalente a decir que Google ha conseguido manejar a múltiples gatos de  Schrödinger.

En la última parte del programa realizamos algunas recomendaciones de libros de divulgación científica de nuestro blog:  Los Beatles y la ciencia de Ernesto Blanco (2015, Siglo XXI Editores), El club de la hipotenusa de Claudi Alsina (2010, Ariel) y Explicar el mundo de Steven Weinberg (2015, Taurus).

Ir a descargar

Si lo dicho le suena extraño lea lo que sigue.

Erwin Schrödinger inventó,  o quizás seria mejor decir que descubrió, la ecuación de Schrödinger (¡Que otra ecuación podía inventar!), pilar fundamental de la Física Cuántica. Aunque nadie duda de su validez,  ninguna  teoría científica se ha comprobado válida con más decimales de precisión,  presenta aparentes paradojas. Quizás la mas desconcertantes es que permite que varios estados puedan darse simultáneamente,  lo que contradice la lógica aristotélica (por ejemplo, Sócrates es mortal o Sócrates no es mortal, pero no ambas cosas, en M. C puede darse esta última opción).  El propio Schrödinger estaba confundido con esta extraña propiedad e inventó un experimento mental conocido como: el gato de Schrödinger ( en su caso es un gato imaginario) en el que un gato podía estar vivo y muerto a la vez, hasta que “colapsaba la función de onda” en la que el gato pasaba a estar vivo o muerto.

Resultado de imagen de schrödinger gato

En vez de un gato supongamos un circuito eléctrico que puede estar apagado  (llamémosle estado  “cero”) o encendido (estado”uno”), si el sistema es cuántico podrá estar en una superposición de ambos estados a la vez.  El genial Richard Feynman en 1981 (y otros) se dieron cuenta que este hecho podría utilizarse para construir computadores muchísimo mas veloces que los actuales (no me refiero a diez o cien o mil veces, quiero decir trillones o cuatrillones y mas veces mas rápidos). Durante años se consideró como una propuesta puramente teórica. Algunos se la tomaron muy en serio, como el español Juan Ignacio Cirac, y sugirieron formas de construir un computador de este tipo, pero lo veían como una propuesta muy lejana (decenas de años).  Varias de las grandes compañías tecnológicas, y seguramente algunos gobiernos,  decidieron ir a por el objetivo: Construir un computador cuántico. El reto era inmenso, se trataba de conseguir controlar múltiples estados de superposición, algo así como tener encerrado miles gatos de  Schrödinger en estado vivos o muertos, solo cuando de abriese la jaula se sabría el numero de vivos y el de muertos.

Las cosas han ido mucho mas rápido de lo que hace poco tiempo se pensaba. Por lo pronto Google parece que ha tomado la delantera, aunque solo sea domesticando a 53 gatos de Schrödinger.  El 23 de octubre de 2019 lo publicaron en Nature, una de las revistas científicas más prestigiosas, un artículo donde afirman haber alcanzado la supremacía cuántica. Según ellos su ordenador, que solo tiene 53 qbits,  habría realizado en 200 segundos un cálculo que al ordenador mas potente existente le llevaría diez mil años.

Google demuestra la supremacía cuántica

Para que nos demos cuenta de que solo con 53 qbit se pueda conseguir semejante rapidez le recuerdo lo que es un qbit:

En los ordenadores clásicos, la información se codifica en bits binarios, por lo que dos bits pueden tomar los valores 00, 01, 10 o 11. Pero un ordenador cuántico puede estar en una superposición de todos los estados clásicos: dos cúbits tienen una cierta probabilidad de ser 00, 01, 10 y 11, es decir 4 posibilidades hasta que los midamos; tres cúbits tienen una cierta probabilidad de estar en 2 elevado a 3 es decir ocho estados, y así sucesivamente.  El procesador cuántico Sycamore utilizado por Google incorpora 53 cúbits superconductores, lo que significa que un estado interno concreto de esta máquina tiene un tamaño de 2 elevado a 53, es decir 2 multiplicado 53 veces que es aproximadamente 10 000 billones.

El tema es muy controvertido, para empezar lo que se ha resuelto es un problema concreto. El computador de Google está lejos de ser un computador universal, como los que tenemos en nuestras casas y en nuestros móviles, en el que pueda realizarse cualquier tipo de operación. Además IBM dice que un computador clásico optimizado para este problema podría resolver ese problema concreto en  en unas horas, pero no hay que olvidar que IBM está construyendo su propio ordenador cuántico.
Imagínese que se podrá hacer cuando se construyan computadores que manejen miles de gatos de Schrödinger.
La carrera esta lanzada y por ahora no hay quien la paré, quizás antes de dejar este mundo disponga en casa de un computador cuántico que me permita llevarme a un estado en el que, como el  gato de  Schrödinger, estaré a la vez vivo y muerto.


Guillermo Sánchez León |EUREKA es un programa de Radio USAL de divulgación científica que se emite los jueves a las 10 de la noche. Presentador: Guillermo Sánchez León.

Quantum Flagship : sacar la cuántica a la calle

Resultado de imagen de Quantum Flagship

A finales de octubre de 2018 se ha presentado en Viena  Quantum Flagship, un megaproyecto europeo de 1.000 millones de euros y 10 años de duración en el que más de 5.000 investigadores, tanto del mundo académico como industrial, se unen con un objetivo: llevar la física cuántica del laboratorio al mercado. El Instituto de Ciencias Fotónicas lidera dos de los primeros 20 consorcios organizados dentro de la iniciativa. 

Después de las gigantescas iniciativas europeas para reproducir tecnológicamente las características del cerebro humano (Human Brain Project) y promover las investigaciones y aplicaciones del grafeno (Graphene Flagship), llega ahora una tercera: Quantum Flagship, presentada este 29 de octubre en Viena.

Este nuevo megaproyecto de la Unión Europea cuenta con un presupuesto de 1.000 millones de euros financiado por la Comisión Europea para fomentar la investigación e innovación a gran escala con un objetivo principal: transferir la investigación sobre física cuántica del laboratorio al mercado mediante aplicaciones comerciales.

La física cuántica parece extraña al principio – las cosas pueden estar en más de un lugar al mismo tiempo, la observación cambia el objeto observado, nada puede predecirse con certeza. Describe con gran éxito el mundo de lo ultra-pequeño – partículas individuales y unidades indivisibles de luz y radiación. Por eso nos parece inusual, es un mundo que no vemos en nuestra vida diaria, así que no tenemos una intuición para ello al principio. Sin embargo, se puede entender y modelar y resulta que las predicciones de la física cuántica son ciertas.

Las tecnologías cuánticas están cambiando este aspecto – ¿qué pasa si utilizamos la comprensión de la física cuántica para construir nuevas y excitantes aplicaciones? ¿Qué pasa si nuestros programas de ordenador pueden ver muchas piezas de datos al mismo tiempo, qué pasa si podemos reconstruir una reacción química en un ordenador para entender cómo utilizarlo mejor? ¿Qué pasa si descubrimos a los espías en una comunicación segura porque dejan un rastro cuando observan nuestros datos? ¿Qué tal si llevamos la percepción al límite de la resolución que las leyes de la naturaleza permiten?

<p>El <em>kick-off</em> o ‘patada inicial’ para lanzar la Quantum Flagship se ha producido este 29 de octubre en Viena. / Quantum Flagship</p>

 

 

Interferencia cuántica de electrones a temperatura ambiente

Resultado de imagen de DOI: 10.1038/s41565-018-0258-0

Investigadores de España y Holanda han desarrollado un dispositivo con dos hojas de grafeno que permite estudiar fenómenos cuánticos a altas temperaturas en una atmósfera normal. El avance podría ser utilizado como una herramienta ultrasensible para detectar y controlar moléculas biológicas como el ADN y las proteínas.

<p></dt><dd class=

Un equipo internacional con participación del Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología, un centro mixto del CSIC y la Universidad de Oviedo, ha fabricado un nuevo dispositivo con dos hojas de grafeno, que permiter estudiar fenómenos cuánticos a altas temperaturas en una atmósfera normal.

El desarrollo, cuya fabricación aparece detallada en el último número de la revista Nature Nanotechnology, (VER ARTICULOpodría ser utilizado como una herramienta ultrasensible para detectar y controlar moléculas biológicas como el ADN y las proteínas, según los autores.

Las leyes de la física cuántica establecen que cualquier entidad física debe comportarse a la vez como onda y como partícula, un fenómeno llamado dualidad onda-corpúsculo. Los electrones se manifiestan habitualmente como partículas, y su naturaleza ondulatoria se ve habitualmente sólo a temperaturas muy bajas y en una atmósfera de ultraalto vacío.

“Este hecho impide poder explotar las potencialidades de la física cuántica en las máquinas que se emplean a diario.  El nuevo dispositivo usado en este estudio demuestra que puede no estar muy lejos el día en que las potencialidades de la física cuántica permitan hacer y usar dispositivos electrónicos de ciencia ficción”, explica Jaime Ferrer, uno de los autores.

Las dos hojas de grafeno resbalan una encima de la otra, con un deslizamiento que los investigadores han conseguido controlar con una precisión atómica. También han medido la corriente eléctrica que fluye a través del dispositivo y han observado que su intensidad presenta fuertes oscilaciones.

Naturaleza ondulatoria de los electrones

“El estudio demuestra que la fuente de esas oscilaciones observadas experimentalmente radica en la naturaleza ondulatoria de los electrones. Las ondas electrónicas rebotan una y otra vez en los bordes de las hojas de grafeno y producen un patrón de interferencias, que origina el carácter oscilatorio de la corriente eléctrica medida experimentalmente”, agrega Ferrer.

Gracias a este trabajo, que se enmarca en el programa europeo de Horizonte 2020 Graphene Flagship, los científicos son ahora capaces de reproducir las mismas oscilaciones tantas veces como quieran, en atmósfera y temperatura ambientes. Además han demostrado que estas oscilaciones dependen de la diferencia en las distancias que viajan las distintas ondas electrónicas al reflejarse en los bordes y, por tanto, dependen de la posición relativa de las dos hojas de grafeno.


Referencia bibliográfica:

Sabina Caneva, Pascal Gehring, Víctor M. García-Suárez, Amador García-Fuente, Davide Stefani, Ignacio J. Olavarria-Contreras, Jaime Ferrer, Cees Dekker y Herre S. J. van der Zant. “Mechanically controlled quantum interference in graphene break junctions”. Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/s41565-018-0258-0