La carrera por el ordenador cuántico

En la imagen, un físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología sostiene un circuito que se utiliza para amplificar las señales de un detector de fotones. Crédito: Geoffrey Wheeler.

Los ordenadores cuánticos están llamados a revolucionar la computación. Su capacidad para realizar operaciones imposibles les convierte en una especie de santo grial y han desencadenado una competición que, de momento, lidera Estados Unidos. Su músculo industrial con compañías como Google o IBM no lo tienen Europa ni China, que también luchan por conseguir esta ansiada tecnología.

La principal diferencia entre un ordenador cuántico y uno convencional es la forma de procesar la información. Si las computadoras clásicas lo hacen en bits, y cada uno toma el valor de 1 o 0, los ordenadores cuánticos utilizan cúbits (o bits cuánticos), lo que significa que pueden representar a la vez tanto un 1 como un 0. Además, se correlacionan entre sí, es decir, que el valor de uno puede depender del valor de otro, lo que se conoce como entrelazamiento cuántico.

Esta revolucionaria forma de procesar la información imita a la naturaleza en sus formas más pequeñas. Partículas y otros diminutos elementos se comportan de formas extrañas, adquiriendo más de un estado al mismo tiempo e interactuando con otras partículas que están situadas muy lejos. Su comportamiento se rige por las leyes de la mecánica cuántica.

Simulando estas interacciones, los ordenadores cuánticos realizarán operaciones muy complejas y resolverán problemas que los tradicionales no tienen la capacidad de solucionar, como el cálculo de factores de números gigantes o el estudio preciso de interacciones entre átomos y moléculas. De esta forma, se espera que áreas como los nuevos materiales, el desarrollo de fármacos o los sistemas de inteligencia artificial avancen a una velocidad sin precedentes con la ayuda de esta nueva computación.

Aunque ya existen varios modelos de ordenador cuántico todavía no se ha desarrollado uno que alcance los 50-100 cúbits, con capacidades que superarían las de los ordenadores clásicos. IBM el año pasado aseguró haber llegado a los 50 cúbits pero los expertos se muestran cautos porque los investigadores de la compañía no explicaron los detalles en ninguna revista científica. Por su parte, Google afirma haber conseguido una tecnología con 72 cúbits.

“Las cosas se vuelven interesantes una vez que tenemos entre 50 y 100 cúbits que se pueden controlar por completo, por ejemplo, el entrelazamiento usado por algoritmos complejos, que muestran capacidades algorítmicas más allá de las máquinas clásicas”, señala a OpenMind Rainer Blatt, investigador del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck (Austria).

“Esto no se ha logrado en ningún sitio pero probablemente lo veremos en los próximos años”, añade el científico.

El artículo completo en:

Open Mind

La Teoría de Cuerdas: Una breve descripción

La supuesta estructura básica de toda la materia según la Teoría de Cuerdas es una especie de filamentos de sutil energía que, gracias a su aptitud para adoptar un número ilimitado de formas, explicaría la maravillosa variedad de todo lo que hay en el Universo, por muy grande o pequeño que sea. Una hipótesis por ahora indemostrable, pero sugerente y “elegante”.

La mecánica cuántica y la relatividad general adoptan unos enfoques diferentes para ver cómo funciona el Universo. Muchos físicos creen que debe haber alguna forma o algún método de unificar estas dos teorías. Una aspirante a tal teoría universal es la Teoría de las Supercuerdas o la teoría de cuerdas, para abreviar. Vamos a dar un breve resumen de esta nueva y compleja hipótesis.

Cuerdas, y no partículas

Los niños de pequeños aprenden sobre la existencia de protones, neutrones y electrones, las partículas subatómicas básicas que crean toda la materia tal y como la conocemos. Los científicos han estudiado cómo estas partículas se mueven e interactúan unas con otras, pero en el proceso se ha planteado una nueva serie de conflictos.

Ejemplos de cuerdas cerradas

De acuerdo con la teoría de cuerdas, estas partículas subatómicas no existen. En cambio, pequeños trozos de cuerda vibrante, que son demasiado pequeñas para ser observadas por los instrumentos de hoy en día, sustituyen a estas partículas. Cada cuerda puede estar cerrada en un bucle, o puede estar abierta. Cada partícula sería en realidad una cuerda vibrante, y la vibración que tenga determinará su tamaño y su masa.

¿Cómo pueden las cuerdas sustituir a las partículas puntuales?

En un nivel subatómico, existe una relación entre la frecuencia (f) a la que vibra algo y su energía (E).

E = h*f     donde h es la constante de Planck.

Al mismo tiempo, la famosa ecuación de Einstein E=m*c² nos dice que hay una relación entre la energía y la masa.

Por lo tanto, existe una relación entre la frecuencia de vibración de un objeto y su masa. Tal relación es fundamental para la teoría de cuerdas.

Limitando las dimensiones del Universo

La teoría de la Relatividad de Einstein nos proporcionó una multitud de dimensiones para el Universo, ya que no tiene límite. La Relatividad funciona igual de bien en cuatro dimensiones como en cuarenta. Pero, la teoría de cuerdas sólo funciona en diez u once dimensiones. Si los científicos pudieran encontrar pruebas que apoyen la teoría de cuerdas, habrán limitado el número de dimensiones que pueden existir en el Universo.

Nosotros sólo experimentamos cuatro dimensiones. Entonces: ¿Dónde se encuentran las otras dimensiones predichas por la teoría de cuerdas? Los científicos han teorizado y han llegado a la conclusión de que se encuentran acurrucadas en un espacio muy compacto, tan pequeño (del orden de 10^-33 centímetros) que no seríamos capaces de detectarlas.

Aunque, por otra parte, estas dimensiones extra podrían ser demasiado grandes como para medirlas. Es más, puede ser que nuestras cuatro dimensiones sean las que están acurrucadas en un espacio extremadamente pequeño en el interior de estas otras dimensiones.

Buscando pruebas

En 1996, los físicos Andrew Strominger del Instituto de Física Teórica de Santa Bárbara, y Cumrun Vafa de Harvard, simularon un agujero negro con una cantidad excesiva de desorden, o entropía. Anteriormente, hace dos décadas, los físicos Jacob Bekenstein y Stephen Hawkings ya había simulado un agujero negro. En ese momento, nadie entendía por qué un agujero negro podía albergar tanta entropía.

El agujero negro teórico, creado por Strominger y Vafa, no fue creado como un agujero negro convencional. En su lugar, se basaron en la teoría de cuerdas para simularlo, proporcionando un enlace entre esta nueva teoría compleja y una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, la gravedad. Al basarse en la teoría de cuerdas en lugar de las partículas fundamentales, hicieron que esta hipótesis, potencialmente unificadora, parezca más creíble.

Todavía no se sabe con seguridad si la teoría de cuerdas es la última teoría o la teoría del todo. Pero es una buena candidata para este puesto, y es un fuerte contendiente para explicar el funcionamiento interno del Universo.

Fuente: Space.com

Tomado de:

CosmoNoticias

¿Porque el cielo es azul?

¿Porque el cielo es azul durante el día y rojizo durante el amanecer y el atardecer?¿Porque las nubes son blancas y tienden al negro según van teniendo más carga de agua? Estas preguntas tienen, como respuesta, dos nombres propios: John William Strutt, tercer Barón de Rayleigh y Gustav Mie.

Pero para comprender bien el porqué de estos fenomenos, primero deberíamos responder dos preguntas previas. Por un lado ¿que es la luz?, y por el otro ¿que es el color?.

¿Que es la luz?

La luz es una radiación electromagnética, que es posible ser percibida por el ojo humano. Esta radiación electromagnética está producida por unas partículas subatómicas denominadas fotones, que son las responsables de todas las radiaciones electromagnéticas  incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio.

Como todas las partículas subatómicas tiene una naturaleza corpusculo-ondulatoria, es decir, que por un lado se comporta como un objeto físico (corpusculo) y por otro, tiene un comportamiento de una onda. El primer comportamiento es fácil de entender: el fotón es una partícula física que se encuentra en un espacio determinado. 

El segundo comportamiento (ondulatorio) viene dado porque los fotones viajan en "grupos" o "paquetes", a los que denominamos "cuanto" (de estos paquetitos, viene el nombre de cuántico, que procede del latín  "quantus" -cuanto-). La distancia entre estos paquetitos, nos da lo que conocemos como longitud de onda.

Ahora ya estamos en disposición de contestar a la segunda cuestión...

¿Que es el color?

Podríamos decir que los colores son el conjunto de las diferentes longitudes de onda de radiación electromagnética que puede percibir el ojo humano. En el gráfico podemos ver las diferentes longitudes de onda y a que tipo de onda que corresponden. A las ondas que se pueden percibir por nuestros ojos, las llamamos "espectro del visible". Dentro del espectro del visible, los paquetitos que viajan más separados entre si (mayor longitud de onda), corresponden con el color rojo, que va poco a poco tendiendo hacia el violeta, según va haciéndose menor esa longitud de onda (los paquetitos viajan más cerca unos de otros). Las ondas que tienen una longitud de onda tan alta que se salen del espectro del visible se denominan "infrarrojas" y las que tienen una longitud de onda tan corta que tampoco las podemos ver, se denominan "ultra violeta".

Hay que poner atención el que el color no es una propiedad de los objetos o de la onda electromagnética, sino que es un fenómeno profundamente psicológico. El hecho de que veamos los objetos de nuestro alrededor de un determinado color, se debe a que nuestro cerebro interpreta así la señal recibida desde los ojos. Es necesario que exista una persona (o animal con visión cromática) para que exista el color. Esto explica enfermedades como el daltonismo o la acromatopsia, por no hablar trastornos como la micropsia, también conocida como "Sindrome de Alicia en el país de las maravillas" .

Y ahora ya si que si, estamos en disposición de responder a la pregunta que da título a nuestro post de hoy...

Dispersión de Rayleigh y Mie

La dispersión de Rayleigh (en honor a Lord Rayleigh) es la dispersión de la luz visible o cualquier otra radiación electromagnética por partículas cuyo tamaño es mucho menor que la longitud de onda de los fotones dispersados. 

El sol, nos envía radiación electromagnética en multitud e longitudes de onda, que al llegar a nuestra atmósfera choca con las diferentes partículas del aire. Parte de la energía que transmiten los fotones se transfiere a estas partículas que vibran y emiten luz en todas las direcciones. Las ondas cortas (como hemos visto antes, las azules y las violetas) son las que tienen una mayor carga energética y, por tanto, mayor difusión. Como la luz blanca contiene más de azul que de violeta y, a lo demás, nuestros ojos son más perceptivos al azul, el color que percibimos de forma genérica en el cielo, es el azul.

En el amanecer y el atardecer, la luz solar no da de forma perpendicular, sino que tiene un mayor ángulo. Esto hace que la luz tenga que recorrer mucha más distancia a través de la atmósfera, lo cual hace que se pierdan las longitudes de onda cortas y permanezcan las largas. Por ese motivo prevalecen los colores rojizos. En este efecto también influye la cantidad de polvo que haya en la atmósfera.

La difusión de Mie es la dispersión de la luz visible o cualquier otra radiación electromagnética por partículas cuyo tamaño es mayuor que la longitud de onda de los fotones dispersados. 

Este fenómeno se aplica, de forma tradicional, a las nubes. Las partículas absorben una parte de la luz y reflejan el resto, como pequeños espejos. Aquí el color depende de la composición de la partícula. En el caso de las nubes, si son poco densas, tienden a reflejar todas las longitudes de onda. Pero si están muy cargadas de agua, este efecto se acentúa y favorece la aparición de colores grises. 

El que haya una gran cantidad de aerosoles en la atmósfera también provoca un acentuamiento de esta dispersión. La dispersión de Mie produce una mayor difusión de la partículas hacia delante o hacia el frente de ella. Conforme aumenta el tamaño de la partícula, la dispersión hacia enfrente también aumenta (el tamaño de la partícula directamente proporcional con la dispersión). Esta característica genera amaneceres más rojos que lo que serían solo por el efecto de la Dispersión de Rayleigh.

El efecto Mie domina la atmósfera de Marte. Su cielo no es azul sino de un plomizo rojo y amarillo. Carl Sagan describe la decepción de la prensa cuando mostraron las primeras fotos del cielo de Marte. Nada comparable a nuestro hermoso cielo azul.

Pd: Parte de la información aquí mostrada, ha sido modificada a partir del gran artículo sobre el Efecto Rayleigh y efecto Mie, publicado en Astromia.com, a quienes es de justicia darles las gracias.

Fdo.: Jose Enrique Carrera Portillo

Tomado de:

Enamorado de la Ciencia