Crean un simulador cuántico que recrea fenómenos físicos imposibles

Investigadores de la Universidad del País Vasco, en colaboración con colegas chinos, han creado un simulador cuántico que permite fenómenos físicos imposibles, a nivel atómico. Por ejemplo, operaciones prohibidas en sistemas físicos microscópicos, como la inversión temporal, que invierte la dirección de la flecha del tiempo. Los científicos lo denominan 'teatro' cuántico. (Fuente: QUTIS y Universidad de Tsinghua)

El grupo de investigación Quantum Technologies for Information Science (Qutis) de la Universidad del País Vasco/EHU, liderado por el profesor Enrique Solano, en colaboración con un grupo experimental de la Universidad de Tsinghua (Pekín, China) dirigido por el profesor Kihwan Kim, ha creado un simulador cuántico que es capaz de crear fenómenos no físicos en el mundo atómico, es decir, fenómenos físicos imposibles. 

Los investigadores de ambos grupos han logrado que un átomo atrapado imite comportamientos que contradicen a sus propias leyes fundamentales, llevando los elementos de la ciencia ficción al mundo microscópico. "Hemos conseguido que un átomo actúe como si violase la naturaleza de los sistemas atómicos, es decir, la física cuántica y la teoría de la relatividad. Al igual que sucede en el teatro o en las películas de ciencia ficción, donde los actores parecen mostrar comportamientos absurdos que van en contra de las leyes naturales, en este caso, los átomos son obligados a simular acciones absurdas como si se tratara de un actor de teatro o ficción", explica el profesor Solano en la nota de prensa de la UPV. 

Los resultados de esta investigación han sido publicados en la revista Nature Communications, en el artículo Time reversal and charge conjugation in an embedding quantum simulator (La inversión del tiempo y la conjugación de carga en un simulador cuántico generalizado). El equipo de Qutis ha contado con la participación de Lucas Lamata y Jorge Casanova, actualmente en la Universidad de Ulm (Alemania). 

En este experimento, los investigadores han reproducido en el laboratorio la propuesta teórica recogida en una investigación previa liderada por el grupo Qutis, donde se describe la posibilidad de que un átomo atrapado pueda realizar comportamientos incompatibles con las leyes fundamentales de la física cuántica. 

Más concretamente, operaciones prohibidas en sistemas físicos microscópicos, como la conjugación de carga, que transforma partícula en antipartícula, o la inversión temporal, que invierte la dirección de la flecha del tiempo.

Experimento 

Para la realización del experimento fue necesario utilizar un átomo cargado y atrapado con campos electromagnéticos bajo la acción de un sistema avanzado de láseres. 

Este tipo de operaciones de simetría se pueden calificarlas como prohibidas, ya que sólo podrían existir en un universo distinto al que conocemos, con leyes distintas. Sin embargo, en este experimento se ha podido simular la realización de este conjunto de leyes imposibles en un sistema atómico. 

El grupo QUTIS de la UPV/EHU es líder mundial en simulación cuántica y sus influyentes propuestas teóricas son verificadas con frecuencia en los laboratorios más avanzados de tecnologías cuánticas. 

El algoritmo cuántico más avanzado 

Otro estudio suyo reciente que ha conseguido gran popularidad es el titulado Digital quantum simulation of fermionic models with a superconducting circuit (Simulación cuántica digital de modelos fermiónicos con un circuito superconductor), realizado en colaboración con el grupo de investigación de Google y la Universidad de California en Santa Bárbara, en el que se lleva a cabo el algoritmo cuántico más avanzado que se conoce y con el que consigue implementar una simulación cuántica de modelos electrónicos de materiales en circuitos superconductores. 

Este algoritmo se desarrolló en los laboratorios de circuitos superconductores de Google/UCSB basándose en ideas originales propuestas por el grupo Qutis. 

Los investigadores diseñaron un simulador digital de fermiones con más de 300 puertas lógicas cuánticas en un chip de 9 bits cuánticos. Los fermiones son partículas cuánticas, como los electrones, que son la base fundamental de los superconductores, las reacciones químicas o los procesos de altas energías. Su estudio es por tanto muy relevante, ya que es el primero en que se simulan estas partículas de forma universal con una arquitectura tan avanzada y de forma escalable, como es el caso de los circuitos superconductores a temperaturas criogénicas. 

Según destacaba Solano, "este experimento representa el primer simulador digital en una plataforma cuántica de estado sólido, superior al algoritmo cuántico más avanzado hecho en un computador cuántico".

Nueva visión entre el límite de los sistemas clásico y los cuántico

La desigualdad de Bell es un teorema que se considera que sirve para distinguir los sistemas cuánticos de los clásicos. Sin embargo, un estudio de la Universidad de Rochester (EE.UU.) ha demostrado que lo único que diferencia son los sistemas entrelazados de los que no lo están, puesto que los sistemas clásicos también pueden tener entrelazamiento. (Fuente: Revista Optica, Universidad de Rochester,T21)

La teoría cuántica es uno de los grandes logros de la ciencia del siglo XX, y sin embargo, los físicos han luchado para encontrar un límite claro entre nuestro mundo cotidiano y lo que Albert Einstein llamó las características "fantasmales" del mundo cuántico, incluyendo gatos que pueden estar a la vez vivos y muertos y fotones que pueden comunicarse entre sí instantáneamente a través del espacio. 

Durante los últimos 60 años, la mejor guía para esa frontera ha sido un teorema llamado desigualdad de Bell, pero ahora un nuevo estudio muestra que la desigualdad de Bell no es el hito que se creía que era, lo que significa que a medida que el mundo de la computación cuántica trae la extrañeza cuántica más cerca de nuestra vida cotidiana, entendemos las fronteras de ese mundo peor de lo que creían los científicos. 

En el nuevo estudio, publicado en la revista Optica, los investigadores de la Universidad de Rochester (Nueva York, EE.UU.) muestran que un rayo clásico de luz del que se esperaría que obedeciera a la desigualdad de Bell puede fallar en esta prueba de laboratorio, si el haz está adecuadamente preparado para tener una característica particular: el entrelazamiento. 

No sólo la prueba de Bell no sirve para definir el límite, sino que los nuevos hallazgos no llevan los límites más profundamente en el reino cuántico, sino que hacen todo lo contrario: Muestran que algunas de las características del mundo real deben compartir un ingrediente clave del dominio cuántico. 

Este ingrediente clave se denomina entrelazamiento, exactamente la característica de la física cuántica que Einstein etiquetaba como fantasmal. Según Joseph Eberly, profesor de física y uno de los autores del artículo, lo que parece ahora es que la prueba de Bell sólo distingue los sistemas que se enredan o entrelazan de los que no lo son. No distingue si son "clásicos" o cuánticos. 

En el próximo artículo los investigadores explican cómo el entrelazamiento se puede encontrar en algo tan común como un rayo de luz.

Hacen falta dos 

Eberly explica en la nota de prensa de la universidad que "se necesitan dos para enredar". Por ejemplo, piense en dos manos aplaudiendo a ritmo. De lo que puede estar seguro es de que cuando la mano derecha se mueve hacia la derecha, la mano izquierda se mueve hacia la izquierda, y viceversa. 

Pero si se le pide que adivine sin escuchar o mirar si en algún momento la mano derecha se mueve hacia la derecha, o tal vez a la izquierda, no lo sabría. Pero a pesar de ello sabría que cualquier cosa que hiciera la mano derecha en ese momento, la mano izquierda estaría haciendo lo contrario. La capacidad de saber con certeza acerca de una propiedad común sin saber nada con certeza acerca de una propiedad individual es la esencia del entrelazamiento perfecto. 

Eberly agrega que muchos piensan en el entrelazamiento como una característica cuántica porque "Schrodinger acuñó el término para referirse a su famoso escenario del gato." Pero su experimento muestra que algunas de las características del mundo "real" deben compartir un ingrediente clave con el dominio del gato de Schrodinger: los enredos. 

La existencia del enredo clásico se señaló en 1980, pero Eberly explica que no pareció un concepto muy interesante, por lo que no fue explorado. A diferencia de entrelazamiento cuántico, el enredo clásico ocurre dentro de un mismo sistema. El efecto es todo local: no hay acción a distancia, no hay "fantasmalidad". 

Con este resultado, Eberly y sus colegas han demostrado experimentalmente "que la frontera no está donde se cree generalmente, y, además, que las desigualdades de Bell ya no deberían utilizarse para definir el límite" entre lo clásico y lo cuántico.

Determinan las posibles biofirmas que emitirían exoplanetas habitados, para poder detectar vida desde la Tierra.

Investigadores de EEUU y de Escocia han definido “huellas” de reflectancia o brillo diferentes a las que emite la vegetación terrestre y que, detectadas en la señal espectral de planetas lejanos, podrían indicar la existencia de vida en estos. Las “huellas” resultarán útiles para tal fin si se combinan con otras biofirmas, como la presencia de oxígeno o metano en exoplanetas, explican los científicos. (Fuente: Universidad de Washington, Virtual Planetary Laboratory de dicha universidad y Universidad de Edimburgo, Escocia y T21)

La búsqueda de vida extraterrestre cada vez se aleja más de la ciencia ficción para convertirse en ciencia pura y dura. De hecho, desde hace un tiempo existe una disciplina científica conocida como Astrobiología que aúna astrofísica, biología y geología para la investigación de una posible presencia de vida en el conjunto del Universo.

Por ejemplo, instrumentos de rastreo que detecten señales moleculares de existencia de vida en otros planetas o que registren la contaminación dejada por supuestos organismos extraterrestres en otros mundos.

Ahora, investigadores de la Universidad de Washington (UW, EEUU), del Virtual Planetary Laboratory de dicha universidad, y de la Universidad de Edimburgo (Escocia) se plantean usar un nuevo enfoque para este mismo fin.

Para definirlo, se hicieron la siguiente pregunta: Si en otros planetas existieran organismos que no dependiesen totalmente de la fotosíntesis (como algunos de los organismos terrestres), ¿cómo se verían esos mundos desde distancias astronómicas?

Más allá del “borde rojo”

Para tratar de responder a esta cuestión, los científicos recurrieron a simulaciones informáticas. Así, determinaron que planetas donde abunden organismos con pigmentos no fotosintéticos –esto es, con pigmentos que procesan la luz con fines distintos al de la producción de energía- emitirían señales espectrales lo suficientemente potentes como para ser detectadas por telescopios que en la actualidad ya se están diseñando.

Estas señales serían “huellas” de reflectancia o brillo diferentes a las que emite la vegetación terrestre. Si mirásemos nuestro planeta desde años luz de distancia, veríamos cómo las plantas que lo pueblan le dan un matiz distintivo en el infrarrojo cercano, algo que los científicos denominan “red edge” o “borde rojo”. Esto se debe a la forma en que la clorofila de los vegetales absorbe las ondas de luz.

Otros planetas, en cambio, podrían emitir otros tipos de huellas de reflectancia (procedentes de organismos no fotosintéticos). Si estos tipos de huellas se conocieran, por tanto, podrían servir como indicadores o “biofirmas” de existencia de vida en ellos, explican los científicos en un comunicado de la Universidad de Washington.

Base de datos para el rastreo

Por eso, los investigadores decidieron medir la reflectancia de organismos terrestres con diferentes tipos de pigmentos no fotosintéticos, para definir sus biofirmas y comprender cómo estas se diferencian de las biofirmas de los organismos fotosintéticos.

“Con estos modelos podríamos determinar la posibilidad de detectar dichas firmas en exoplanetas”, afirman. Además, combinando esos modelos con los de otras biofirmas, como las que señalan la presencia de oxígeno o de metano, resultaría más fácil determinar si hay vida o no en otros mundos, concluyen. 

El Virtual Planetary Laboratory de la Universidad de Washington cuenta ya con una gran base de datos de espectros y pigmentos de organismos no fotosintéticos disponible al público, a la que se han añadido los datos del presente proyecto, financiado por el Astrobiology Institute de la NASA.

Uno de los investigadores implicados en esta investigación es el astrobiólogo de la Universidad de Edimburgo Charles Cockell que, en 2012, y tras realizar una investigación sobre cráteres terrestres provocados por impactos de asteroides, aseguraba que el subsuelo de los cráteres de Marte "podría ser un lugar prometedor para buscar pruebas de vida".

En una línea de trabajo cercana a la del estudio de la UW, científicos de la Universidad de Cornell en EEUU han desarrollado también recientemente un catálogo de colores de la luz que reflejan 137 microorganismos.

La finalidad de esta “lista” es la misma que la de la base de datos de la UW: identificar señales de vida a través del espectro de exoplanetas.

Estos otros investigadores se han fijado en los microorganismos porque creen que estos, capaces de resistir en casi cualquier entorno, podrían ser la forma de vida extraterrestre predominante en otros mundos.

Nuevos pasos hacia la computación fotónica

Ingenieros de la Universidad de Utah han desarrollado un divisor de haz ultracompacto para dividir las ondas de luz en dos canales de información, lo que permitirá crear chips fotónicos de silicio que computen datos con luz, en lugar de con electrones, lo cual acelerará mucho los procesos de computación. (Fuente: Universidad de Utah, T21)

Ingenieros de la Universidad de Utah (EE.UU.) han dado un paso adelante en la creación de la próxima generación de ordenadores y dispositivos móviles con velocidades millones de veces más rápidas que las máquinas actuales. Han desarrollado un divisor de haz ultracompacto - el más pequeño del que haya registro- para dividir las ondas de luz en dos canales separados de información. El dispositivo acerca a los investigadores a la producción de chips fotónicos de silicio que computen y transporten datos con luz en lugar de electrones. El profesor de Ingeniería Eléctrica y Computación Rajesh Menon y sus colegas describen su invención en la revista Nature Photonics.

La fotónica de silicio podría aumentar significativamente la fuerza y la velocidad de las máquinas, como las supercomputadoras, servidores de centros de datos y los equipos especializados que dirigen los coches autónomos y los drones con detección de colisiones. Con el tiempo, la tecnología podría llegar a los ordenadores personales y dispositivos móviles y mejorar las aplicaciones, desde los juegos hasta el streaming de vídeo.

"La luz es la cosa más rápida que se puede utilizar para transmitir información", explica Menon en la nota de prensa de la universidad. "Pero esa información tiene que ser convertido a electrones cuando entra en su computadora portátil. En esa conversión, se frenan las cosas. La idea es hacer todo con luz."

Los fotones de luz llevan la información a través de Internet a través de redes de fibra óptica. Pero una vez que un flujo de datos alcanza un destino en el hogar o la oficina, los fotones se deben convertir en electrones antes de que un router o un ordenador pueda manejar la información. Ese cuello de botella podría eliminarse si el flujo de datos se mantuviera en forma de luz dentro de los procesadores de ordenador.

"Con toda en forma de luz, la computación puede ser con el tiempo millones de veces más rápida", dice Menon.

Divisor de haz

Para ayudar a hacer eso, los ingenieros crearon una forma mucho más pequeña de divisor de haz por polarización (que parece algo así como un código de barras) en la parte superior de un chip de silicio que puede dividir la luz guiada entrante en sus dos componentes.

Antes, un divisor de haz así tenía más de 100 por 100 micras. Gracias a un nuevo algoritmo para diseñar el divisor, el equipo de Menon lo ha reducido a 2,4 por 2,4 micras, un quinto del grosor de un cabello humano y cercano al límite de lo que es físicamente posible.

El divisor de haz sería sólo uno de una multitud de dispositivos pasivos colocados en un chip de silicio para dirigir las ondas de luz de diferentes maneras. Al hacerlos más pequeños, los investigadores podrán meter millones de estos dispositivos en un solo chip.

Las ventajas potenciales van más allá de la velocidad de procesamiento. El diseño del equipo de Utah sería barato de producir, ya que utiliza técnicas de fabricación existentes para la creación de chips de silicio. Y debido a que los chips fotónicos transportan fotones en lugar de electrones, los dispositivos móviles como teléfonos inteligentes o tabletas construidas con esta tecnología consumirían menos energía, tendrían mayor duración de batería y generarían menos calor que los dispositivos móviles existentes.

Las primeras supercomputadoras que usen la fotónica de silicio -ya en fase de desarrollo en empresas como Intel e IBM- utilizarán procesadores híbridos que permanecerán electrónicos en parte. Menon cree que su divisor de haz se podría utilizar en esas computadoras en unos tres años. Los centros de datos que requieren conexiones más rápidas entre computadoras también podrían implementar la tecnología pronto, añade.

Explican por qué “la mayor estructura jamás identificada por la humanidad” es tan fría

En el año 2004, un equipo de astrónomos descubrió una región del Universo extraordinariamente grande, y tan fría que se consideró una rareza. Fue bautizada como Punto Frío WMAP. Ahora, astrónomos de la Universidad de Hawai en Manoa han descubierto que un supervacío situado entre nosotros y la zona es lo que haría que esta parezca mucho más fría de lo esperado, según las predicciones teóricas sobre el cosmos. (Fuente: Universidad de Hawai, Manoa y T.21)

En el año 2004, un equipo de astrónomos, al examinar un mapa de la radiación dejada por el Big Bang o explosión que dio origen al cosmos (radiación que se conoce como “fondo cósmico de microondas” o CMB), descubrieron algo muy extraño: una región del Universo extraordinariamente grande y tan fría que se consideró una rareza; pues se piensa que las temperaturas de las microondas del CMB son bastante homogéneas (no variarían en más de 10-5 a lo largo de todo el cielo). La región estaba situada en el hemisferio sur de la esfera celeste, en dirección a la constelación de Eridanus.

Bautizada como Punto Frío WMAP o Punto Frío CMB, esta zona ha sido desde entonces fuente de extrañeza, pues aunque la física que explica el Big Bang predice lugares más o menos cálidos o fríos, de distintos tamaños, en el universo; no predice la existencia de un lugar tan grande y tan frío.

En 2009, dos astrónomos de la Universidad de Michigan en Ann Arbor (EEUU) señalaron que dicho Punto Frío en realidad podía ser fruto del método estadístico usado para analizar los datos del Wide Field Survey Explorer (WISE) de la NASA, que fue el satélite que lo detectó. En otras palabras, que podía ser el producto “de una base particular de funciones de onda ”, escribieron en Astroparticle Physics ). 

Ahora, un equipo de astrónomos dirigido por el Dr. István Szapudi, del Instituto de Astronomía de la Universidad de Hawai en Manoa, aporta una explicación alternativa para el Punto Frío WMAP que podría ser, según declaraciones de Szapudi en un comunicado de dicha Universidad, "la mayor estructura jamás identificada por la humanidad".

Un supervacío está en medio

La explicación parte de la idea de que el Punto Frío WMAP estaría ocasionado por alguna estructura situada entre nosotros y el fondo cósmico de microondas o CMB. Este hecho indicaría, por tanto, que habría otra estructura extremadamente rara y grande en la distribución de la masa del universo.

Para tratar de constatar esta idea, los científicos utilizaron, además de los datos del WISE, datos del telescopio Pan-STARRS1 (PS1) de Hawai, ubicado en Haleakala, Maui.

A partir de todas estas informaciones encontraron un gran supervacío entre el observador (ellos) y el CMB: una vasta región de 1.800 millones de años luz de  diámetro, en la que la densidad de las galaxias es mucho menor de lo habitual en el universo conocido. Resulta que estudios previos realizados también en Hawai ya habían observado un área de este tipo en la dirección del Punto Frío WMAP, aunque mucho más pequeña. 

El supervacío recién hallado se encuentra a unos tres mil millones de años luz de  nosotros, una distancia relativamente corta en el esquema cósmico de las cosas.

¿Qué tiene que ver?

¿Pero cómo esta estructura puede determinar las características del Punto Frío WMAP? Los científicos de la Universidad de Hawai lo explican de la siguiente forma: Imagine que hay un enorme vacío, con muy poca materia, entre usted y el CMB.

Ahora piense en ese supervacío como en una colina. A medida que la luz lo atraviesa, esta debe subir la colina (gastando energía). Si el universo no estuviera sufriendo una expansión acelerada, el supervacío no evolucionaría de manera significativa a medida que la luz lo atraviesa. Por tanto, cuando la luz descendiera la colina por el otro lado, recuperaría la energía que perdió al subirla, a medida que sale.

Pero, como el universo se está expandiendo continuamente y, además, esa expansión está acelerada; la colina se va estirando a medida que la luz se desplaza por ella. Como consecuencia, la colina es más plana cuando la luz desciende por ella que cuando la subió, lo que tiene como consecuencia que la luz no pueda recoger toda la energía que perdió antes. Así que sale del supervacío con menos energía y, por tanto, con una mayor longitud de onda, esto es, con una temperatura más fría.

Este proceso explicaría por qué el Punto Frío WMAP “parece” más frío de lo que cabría esperar. Se debe tener en cuenta que los fotones o partículas de luz del CMB fluctúan –según el efecto mensurable Sachs-Wolfe integrado o ISW- esto es, que el espectro del CMB puede parecer desigual. También que atravesar un supervacío puede llevar millones de años, incluso a la velocidad de la luz, tiempo suficiente para que la "colina se aplane". 

Otro vacío en la constelación de Draco

Aunque la existencia del supervacío y su supuesto efecto sobre el CMB no expliquen totalmente el Punto Frío WMAP, lo cierto es que resulta poco probable que sea una coincidencia que ambos se encuentren en el mismo lugar, explican los investigadores.

El equipo continuará su trabajo a partir de datos mejorados, tanto para profundizar en la comprensión del supervacío recién hallado, como para estudiar otro gran vacío situado cerca de la constelación de Draco.

 

Primera imagen de la luz comportándose como onda y partícula al mismo tiempo

Científicos suizos consiguen reflejar esta naturaleza dual mediante el uso de electrones (Fuente: EPFL, Escuela Politècnica de Lausana, Suiza, T21)

 

La luz se comporta por igual como partícula y como onda. Desde la época de Einstein, los científicos han estado tratando de observar directamente estos dos aspectos de la luz al mismo tiempo. Ahora, científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza) han conseguido captar la primera instantánea de este comportamiento dual, mediante el uso de electrones. La mecánica cuántica nos dice que la luz puede comportarse al mismo tiempo como partícula y como onda. Sin embargo, nunca ha habido un experimento capaz de capturar ambas naturalezas de la luz al mismo tiempo; el más cercano que hemos llegado es verla como onda o como partícula, pero siempre en momentos diferentes. Adoptando un enfoque experimental radicalmente diferente, científicos de la EPFL (Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza) han sido capaces de tomar la primera instantánea de la luz comportándose como onda y partícula a la vez. La novedosa investigación se publica en Nature Communications.

 Cuando la luz ultravioleta golpea una superficie de metal, causa una emisión de electrones. Albert Einstein explicó este efecto "fotoeléctrico" proponiendo que la luz -que se pensaba que era solamente una onda- es también un flujo de partículas. A pesar de que una gran variedad de experimentos han observado con éxito tanto los comportamientos de onda como los de partícula, nunca han podido observar ambos al mismo tiempo.
 

Un nuevo enfoque en un efecto clásico
 

Un equipo de investigación dirigido por Fabrizio Carbone ha llevado a cabo un experimento con un giro astuto: Usar electrones para obtener una imagen de la luz. Los investigadores han capturado, por primera vez en la historia, una sola instantánea de la luz comportándose simultáneamente como una onda y como una corriente de partículas. El experimento se ha configurado así: Un pulso de luz láser es disparado hacia un pequeño nanocable metálico. El láser añade energía a las partículas cargadas del nanocable, haciendo que vibren. La luz viaja a lo largo de este pequeño cable en dos direcciones posibles, como los coches en una autopista. Cuando las ondas que viajan en direcciones opuestas se encuentran, forman una nueva onda que parece que está detenida. Esta onda estacionaria se convierte en la fuente de luz para el experimento, irradiando alrededor del nanocable.

 

El truco del experimento

 

 Aquí es donde viene el truco del experimento: Los científicos dispararon una corriente de electrones cerca del nanocable, usándolos para obtener una imagen de la onda estacionaria de luz. A medida que los electrones interactuaban con la luz confinada en los nanocables, o bien se aceleraban o se ralentizaban. Utilizando el microscopio ultrarrápido para obtener una imagen de la posición en la que se producía este cambio de velocidad, el equipo de Carbone pudo visualizar la onda estacionaria, que actuaba como una huella dactilar de la naturaleza ondulatoria de la luz. Si bien este fenómeno muestra la naturaleza de onda de la luz, demuestra simultáneamente su aspecto de partícula también. A medida que los electrones pasan cerca de la onda estacionaria de luz, "golpean" a las partículas de la luz, los fotones. Como se mencionó anteriormente, esto afecta a su velocidad, por lo que se mueven más rápido o más lento. Este cambio en la velocidad aparece como un intercambio de "paquetes" (cuantos) de energía entre electrones y fotones. El simple hecho de que existan estos paquetes de energía muestra que la luz del nanocable se comporta como una partícula. "Este experimento demuestra que, por primera vez en la historia, podemos filmar la mecánica cuántica -y su naturaleza paradójica- directamente", afirma Carbone en la nota de prensa de la EPFL. Además, la importancia de este trabajo pionero puede extenderse más allá de la ciencia fundamental y de las tecnologías del futuro. Como explica Carbone: "Ser capaces de obtener una imagen y de controlar los fenómenos cuánticos en la escala nanométrica como hemos hecho abre una nueva ruta hacia la computación cuántica." El trabajo es una colaboración entre el Laboratorio de Microscopía Ultrarrápida y Dispersión de Electrones de la EPFL, el Departamento de Física del Trinity College (Estados Unidos) y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.
 

Explicación plausible sobre origen de la materia en el cosmos
El campo de Higgs habría propiciado el ‘dominio’ de las partículas sobre las antipartículas, tras el Big Bang (Fuente: Universidad de California Los Ángeles UCLA y Physical Review Letters, T21)

 

¿Por qué existe la materia si, al principio del universo, había la misma cantidad de materia que de antimateria, y ambas tienden a destruirse mutuamente? La explicación podría estar en el campo cuántico de Higgs. Según investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), dicho campo habría provocado un pequeño exceso de partículas de materia sobre la cantidad de antipartículas; un exceso que dio origen a estrellas, planetas y gases.

Se cree que, tras el Big Bang, la gran explosión que dio origen al Universo, había un equilibrio entre las partículas elementales (protones, electrones, etc.) y sus correspondientes antipartículas, que son como las primeras en masa y espín (momento angular), pero se diferencian de ellas en su carga eléctrica.

 Sin embargo, con el paso del tiempo, ocurrió algo que aún resulta desconcertante para los cosmólogos: que las partículas “ganaron” a las antipartículas. Es decir, que la materia prevaleció sobre la antimateria. Por eso, en el universo existen hoy estrellas y planetas.

 Los científicos no han encontrado nunca la explicación a esta primacía. Ahora, un equipo de físicos de la Universidad de California en Los Ángeles ofrece una posible solución al misterio.

 

La clave: el campo de Higgs  

 

Alexander Kusenko, profesor de física y astronomía de dicha Universidad, y sus colaboradores proponen que esta asimetría materia-antimateria podría estar relacionada  con el bosón de Higgs, partícula propuesta teóricamente hace medio siglo, y cuya existencia fue finalmente constatada en 2012, en experimentos realizados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.
  
 Más concretamente, estaría vinculada a lo que se conoce como campo de Higgs, que es un campo cuántico que, según el modelo estándar de física de partículas, hace que todas las partículas adquieran masa.
  
 En los momentos posteriores al Big Bang, según Kusensko y sus colaboradores, el campo de Higgs habría sido mucho mayor de lo que es actualmente, y habría propiciado que hubiese un pequeño exceso de partículas de materia sobre la cantidad de antipartículas. En otras palabras, habría favorecido que las masas de las partículas y de las antipartículas fueran temporalmente desiguales.  
  
 De esta forma, y a pesar de que siempre que una partícula y una antipartícula se encuentran desaparecen emitiendo dos fotones o un par de otras partículas, un pequeño número de partículas consiguió ‘sobrevivir’, para dar lugar a las estrellas, los planetas, y el gas del universo actual. Todo esto ocurrió a medida que el universo, en sus estadios iniciales, se enfriaba.
  
Época importante en la evolución del cosmos
  
 El planteamiento de los físicos de la UCLA es consistente con los resultados obtenidos en el LHC, que han señalado que el campo de Higgs, en los primeros momentos tras el Big Bang, era mucho más grande que su "valor de equilibrio” actual.
  
 Posteriormente, se habría producido una relajación de este campo cuántico, que pasó de su gran valor tras el Big Bang hasta el mínimo del potencial efectivo del presente. Esta etapa habría sido clave en la evolución del Universo, explican los investigadores en un artículo publicado en la prestigiosa revista Physical Review Letters.

El tiempo a nivel cuántico corre hacia atrás y hacia adelante indistintamente

Un experimento observa que los sistemas microscópicos contienen información del futuro, y no sólo del pasado (fuente: T21, Physical Review Letters)

En la mecánica cuántica, el tiempo va tanto hacia adelante como hacia atrás. Así parece demostrarlo un experimento realizado en Estados Unidos, que calculando 'hacia atrás' las probabilidades de que un sistema cuántico esté en un estado concreto de dos posibles, consigue una probabilidad de acierto del 90%, frente al 50% que se considera normal. Eso significa que los sistemas cuánticos contienen información sobre el futuro, al igual que sobre el pasado.

Estamos tan acostumbrados a las novelas policíacas que ni siquiera notamos cómo juegan con el tiempo los autores. Normalmente, el asesinato se produce mucho antes del punto medio del libro, pero hay un apagón informativo en ese punto y el lector no se entera de lo que sucedió hasta la última página. 

Si la última página hubiera sido arrancada del libro, pregunta el físico Kater Murch, ¿estaría el lector más cerca de adivinar lo que pasó leyendo sólo hasta el fatal incidente o leyendo el libro entero? 

La respuesta, tan evidente en el caso de una novela de misterio, no lo es tanto en el mundo de la mecánica cuántica, donde la indeterminación es algo esencial, y no algo forzado para nuestro placer lector. 

Como si lo que hacemos hoy cambia lo que hicimos ayer 

Aunque usted sepa todo lo que la mecánica cuántica puede decir acerca de una partícula cuántica, dice Murch, profesor ayudante de física en la Universidad de Washington en St. Louis (Missouri, EE.UU.), no se puede predecir con certeza el resultado de un experimento sencillo para medir su estado. Todo lo que la mecánica cuántica puede ofrecer son las probabilidades estadísticas de los posibles resultados. 

El punto de vista ortodoxo es que esta indeterminación no es un defecto de la teoría, sino un hecho de la naturaleza. El estado de la partícula no es simplemente desconocido, sino realmente indefinido antes de que se mida. El acto de la medición en sí obliga a la partícula a caer en un estado definido. 

En un artículo que se publicará este jueves en la revista Physical Review Letters, Kater Murch describe una forma de reducir las probabilidades. Mediante la combinación de información sobre la evolución de un sistema cuántico después de un tiempo objetivo con la información sobre su evolución hasta ese momento, su laboratorio fue capaz de reducir las probabilidades de adivinar correctamente el estado de un sistema de dos estados desde un 50-50 a un 90-10. 

Es como si lo que hiciéramos hoy cambiara lo que hicimos ayer. Y como esta analogía sugiere, los resultados experimentales tienen consecuencias espeluznantes para el tiempo y la causalidad, por lo menos en el mundo microscópico al que se aplica la mecánica cuántica. 

Medir un fantasma 

Hasta hace poco tiempo, los físicos podían explorar las propiedades mecánico-cuánticas de las partículas individuales sólo a través de experimentos de pensamiento, porque cualquier intento de observar directamente hacía que perdieran sus misteriosas propiedades cuánticas. 

Pero en los años 1980 y 1990 los físicos inventaron dispositivos que les permitieron medir estos frágiles sistemas cuánticos tan suavemente que no colapsan de inmediato a un estado definido. 

El dispositivo que utiliza Murch para explorar el espacio cuántico es un circuito superconductor simple que entra en el espacio cuántico cuando se enfría hasta cerca del cero absoluto. 

El equipo de Murch utiliza los dos niveles de energía inferiores de este qubit, el estado fundamental y un estado excitado, como su sistema cuántico modelo. Entre estos dos estados, hay un número infinito de estados cuánticos que son superposiciones, o combinaciones, de los estados fundamental y excitado. 

El estado cuántico del circuito se detecta al ponerlo dentro de una caja de microondas. Unos pocos fotones de microondas se envían a la caja, donde sus campos cuánticos interactúan con el circuito superconductor. Así que cuando los fotones salen de la caja llevan información sobre el sistema cuántico. 

Básicamente, estas medidas "débiles", no resonantes, no perturban al qubit, a diferencia de las medidas "fuertes" con fotones que están en resonancia con la diferencia de energía entre los dos estados, que hacen que el circuito caiga a uno u otro estado.

Adivinanzas cuánticas 

En el artículo, Murch describe un juego de adivinanzas cuánticas con el qubit. "Empezamos cada ronda poniendo el qubit en una superposición de los dos estados", explica, en la nota de prensa de la universidad, recogida por Newswise. "Luego hacemos una medida fuerte pero ocultamos el resultado, y seguimos haciendo medidas débiles del sistema." 

A continuación, tratan de adivinar el resultado oculto, que es su versión de la página que falta en la novela de misterio. "Calculando hacia adelante, es decir, utilizando la regla de Born, que expresa la probabilidad de encontrar el sistema en un estado concreto, las probabilidades de acertar son sólo 50-50", explica Murch. "Pero también se puede calcular hacia atrás usando algo llamado una matriz efecto. Basta con coger todas las ecuaciones y darles la vuelta. Siguen funcionando y se puede volver atrás en la trayectoria". 

"Así que hay una trayectoria hacia atrás y otra hacia adelante, y si nos fijamos en los dos a la vez y damos igual importancia a ambas informaciones, obtenemos algo que llamamos una predicción retrospectiva, o retrodicción. 

Lo demoledor de la retrodicción es que tiene un 90 por ciento de precisión. Cuando los físicos cotejan sus resultados con la medición almacenada del estado anterior del sistema acierta nueve de cada 10 veces. 

En la madriguera del conejo 

El juego de adivinanzas cuánticas sugiere maneras de hacer que tanto la computación cuántica como el control cuántico de sistemas abiertos, como las reacciones químicas, sean más robustos. Pero también tiene implicaciones para problemas mucho más profundos de la física. 

Por un lado, se sugiere que el tiempo del mundo cuántico se dirige tanto hacia atrás como hacia adelante, mientras que en el mundo clásico sólo se ejecuta hacia adelante. 

"Siempre pensé que la medida resolvería la simetría del tiempo en la mecánica cuántica", afirma Murch. "Si medimos una partícula en una superposición de estados y cae en uno de dos estados, bueno, eso suena como un proceso que va hacia adelante en el tiempo." 

Pero en el juego de adivinanzas cuánticas, la simetría del tiempo ha vuelto. La capacidad mejorada de acierto implica que el estado cuántico medido incluye información sobre el futuro igual que sobre el pasado. Y eso implica que el tiempo, claramente una flecha en el mundo clásico, es una flecha de dos puntas en el mundo cuántico. 

"No está claro por qué en el mundo real, el mundo hecho de muchas partículas, el tiempo sólo va hacia adelante y la entropía siempre aumenta", reconoce Murch. "Pero mucha gente están trabajando en ese problema y espero que sea resuelto en unos pocos años". 

Causa y efecto 

En un mundo donde el tiempo es simétrico, ¿hay tal cosa como causa y efecto? Para averiguarlo, Murch propone ejecutar un experimento con qubits que establezca circuitos de retroalimentación (que son cadenas de causa y efecto) y tratar de ejecutarlos tanto hacia delante como hacia atrás. 

"Se tarda 20 o 30 minutos en ejecutar uno de estos experimentos", afirma Murch, "varias semanas en procesarlos, y un año en rascarse la cabeza para ver si estamos locos o no". "Al final del día me consuela el hecho de que tenemos un experimento real y datos reales que representamos en curvas reales."

Patrón matemático común revela paralelismos entre el crecimiento de las cuidades y las galaxias en formación

Un estudio realizado por científicos del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (EEUU) con nuevos modelos matemáticos ha revelado que existe un paralelismo notable entre la manera en que los humanos levantan sus ciudades y la manera en que se formaron las galaxias en el universo primitivo. (Fuente: T21, Centro de Astrofísica Hardvard-Smithsonian, MIT Technology Review)

La llamada Ley de Zipf reveló en la década de 1940 que sistemas como las lenguas o las ciudades no se organizan de manera completamente aleatoria.

En la década de 1940, un lingüista de la Universidad de Harvard llamado George Kingsley Zipf, analizando la lengua inglesa, se dio cuenta de que la frecuencia con que en esta aparecen las palabras no es aleatoria, sino que obedece a una ley empírica.

La formulación de la Ley de Zipf señala que el segundo elemento más reiterado de un idioma se repetirá aproximadamente con una frecuencia de 1/2 con respecto al primero (en inglés, the); y el tercer elemento con una frecuencia de 1/3… y así sucesivamente.  

La Ley de Zipf ha sido desde entonces aplicada a diversos sistemas, y no solo las lenguas. Economistas como Paul Krugman y Xavier Gabaix la han aplicado, por ejemplo, a las ciudades.

Así se ha demostrado que, si la ciudad más grande de Estados Unidos tiene una población de ocho millones de personas, la segunda ciudad más grande tendrá una población de cuatro millones (8/2); y la tercera tendrá una población de 8/3 millones, etc. Y que, si las ciudades se ordenasen por tamaños, el rango de cada ciudad sería inversamente proporcional al número de personas que en ella habitasen.

Comportamiento humano y galáctico

¿Por qué se da esta pauta en los sistemas? Hasta ahora no se sabía la razón. Ahora, dos investigadores del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (EEUU) llamados Henry Lin y Abraham Loeb parecen haber encontrado una respuesta al misterio en las matemáticas.

A partir de un nuevo modelo, Lin y Loeb han descubierto que existe un paralelismo notable entre la manera en que los humanos levantan sus ciudades terrestres y la manera en que se forman las galaxias en el cosmos. Ambos procesos, aseguran, son matemáticamente equivalentes, lo que implicaría que en ambos sistemas funciona un mismo principio unificador.

Para llegar a esta conclusión, “consideramos la densidad poblacional como la cantidad fundamental, y pensamos en la ciudades como en objetos que se forman cuando la densidad de población excede un umbral crítico”, explican los investigadores en un artículo recogido por arXiv.

Lo que se desveló es que las ciudades se forman por variaciones en la densidad de población similares a las variaciones en la densidad de materia que dieron lugar a las galaxias en el universo primitivo, publica MIT Techonology Review. En otras palabras, que el comportamiento humano a escala masiva sigue el mismo patrón que el crecimiento de las galaxias.

Primer estudio que traslada al mundo macroscópico el CFO (Colapso de Función de Onda) 

La superposición de estados cuánticos se da también en los átomos, según un estudio de la Universidad de Bonn (Alemania), en el que se ha demostrado este punto con un experimento. Los resultados podrían implicar que los objetos macroscópicos, como un balón de fútbol, por ejemplo, también irían por más de un camino simultáneamente, solo que nuestra visión seleccionaría uno de ellos. (Fuente: T21 y Universidad de Bonn)

Tenemos dos contenedores, y un gato está debajo de uno de ellos (a). Sin embargo, no sabemos debajo de cuál. Para probar, levantamos el derecho (b) y vemos que está vacío. Concluimos, por tanto, que el gato debe estar bajo el izquierdo, para lo cual no le hemos perturbado. Si hubiéramos levantado el izquierdo, sí le habríamos perturbado (c), y la medida habría sido descartada. En el mundo macro-realista, un sistema de medidas como este no habría tenido ningún efecto en el estado del gato. En el cuántico, sin embargo, una medida 'negativa' que revele la posición del gato de forma indirecta, como es (b), es suficiente para destruir la superposición cuántica e influir en el resultado del experimento. Los científicos de Bonn han observado exactamente este efecto. Fuente: Andrea Alberti/www.warrenphotographic.co.uk

¿Puede un penalty marcarse y fallarse simultáneamente? Para los objetos muy pequeños, al menos, esto es posible: De acuerdo con las predicciones de la mecánica cuántica, los objetos subatómicos pueden tomar caminos diferentes al mismo tiempo. El mundo de los objetos macroscópicos sigue otras reglas: el fútbol siempre se mueve en una dirección definida. 

¿Pero es esto siempre así? Físicos de la Universidad de Bonn (Alemania) han construido un experimento diseñado para, posiblemente, refutar esta tesis. Su primer experimento muestra que los átomos de cesio pueden, de hecho, tomar dos caminos al mismo tiempo. 

A nivel subatómico 

Hace casi 100 años, los físicos Werner Heisenberg, Max Born y Erwin Schrödinger crearon un nuevo campo de la física: la mecánica cuántica. Los objetos del mundo cuántico o subatómico -de acuerdo con la teoría cuántica- ya no se mueven a lo largo de un único camino bien definido. Más bien, pueden tomar simultáneamente diferentes caminos y terminar en diferentes lugares al mismo tiempo. Los físicos hablan de superposición cuántica de diferentes caminos. 

A nivel de los átomos, ahora parece como si los objetos también obedecieran las leyes de la mecánica cuántica. Con los años, muchos experimentos han confirmado las predicciones de la mecánica cuántica. En nuestra experiencia diaria macroscópica, sin embargo, vemos un balón de fútbol volar a lo largo de exactamente una sola ruta; nunca es gol y sale fuera al mismo tiempo. ¿Por qué esto es así? 

"Hay dos interpretaciones diferentes", explica Andrea Alberti, del Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn, en la nota de prensa de ésta: "La mecánica cuántica permite estados de superposición de objetos grandes y macroscópicos. Pero estos estados son muy frágiles, incluso seguir un balón de fútbol con los ojos es suficiente para destruir la superposición y hacerle seguir una trayectoria definida". 

Pero también podría ser que los balones obedecen a reglas completamente diferentes a las que rigen para los átomos individuales. "Hablemos de la visión macro-realista del mundo", explica Alberti. "De acuerdo con esta interpretación, el balón siempre se mueve en una trayectoria específica, independiente de nuestra observación, y en contraste con el átomo".

Superposición a nivel atómico 

Pero, ¿cuál de las dos interpretaciones es la correcta? ¿Se mueven los objetos "grandes" de forma diferente a los pequeños? En colaboración con Clive Emary, de la Universidad de Hull (Reino Unido), el equipo de Bonn ha elaborado un plan experimental que puede ayudar a responder esta pregunta. 

"El reto era desarrollar un esquema de medición de las posiciones de los átomos que nos permitiera contrastar las teorías macro-realistas", explica Alberti. Los físicos describen su investigación en la revista Physical Review X. 

Con dos pinzas ópticas (hechas con láser) agarraron un átomo de cesio individual y lo movieron en dos sentidos opuestos. En el mundo macro-realista el átomo estaría entonces en sólo uno de los dos lugares finales. En un mundo cuántico, el átomo estaría en una superposición de las dos posiciones. 

"Hemos utilizado medidas indirectas para determinar la posición final del átomo de la manera más suave posible", explica el estudiante de doctorado Carsten Robens. Incluso una medición tan indirecta modificó significativamente el resultado de los experimentos. 

Esta observación excluye -falsa, como diría Karl Popper con más precisión- la posibilidad de que los átomos de cesio sigan una teoría macro-realista. En su lugar, los resultados experimentales del equipo de Bonn se adaptan bien a una interpretación basada en estados de superposición que se destruyen cuando se produce la medición indirecta. Todo lo que podemos hacer es aceptar que el átomo ha hecho diferentes caminos al mismo tiempo. 

"Esto aún no es una prueba de que la mecánica cuántica funcione para los objetos grandes", advierte Alberti. "El siguiente paso es separar varios milímetros dos posiciones del átomo de cesio. Si siguiéramos encontrando una superposición en nuestro experimento, la teoría macro-realista sufriría otro revés".