Con motivo del curso de verano El nuevo misterio de la física cuántica ya tiene aplicaciones: una introducción a la Teoría Cuántica de la información que se celebra durante esta semana en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Oviedo, el prestigioso físico Juan Ignacio Cirac impartió una conferencia titulada Introducción a los simuladores cuánticos. Tras una clara y precisa exposición, Wis_Alien y yo tuvimos la ocasión de poder plantearle una serie de preguntas a modo de mini-entrevista, que hoy os presentamos. Para los que todavía no conozcáis a Juan Ignacio Cirac, os diré que es actualmente de los físicos españoles de mayor prestigio (si no el que más).

Se licenció en la Universidad Complutense de Madrid en 1988 y tras una estancia de 5 años como profesor titular en la Universidad de Castilla la Mancha (1991-1996), pasó a ser catedrático en el Institut für Theoretische Physik en Innsbruck, Austria (1996-2001). Desde el año 2001 es director de la División Teórica del Instituto Max-Planck para la Óptica Cuántica en Garching, Alemania. Posee más de 200 artículos publicados, siendo uno de los científicos más citados en su campo: la Teoría Cuántica de la Información. Posee también numerosos premios de prestigio internacional como pueden ser, la Medalla de la Real Sociedad Española de Física (2002), el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica (2006), el Premio Nacional de Investigación Blas Cabrera (2007), o el Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento y la Cultura en Ciencias Básicas (2008).

Una vez hecha la presentación de este gran físico pasemos a la entrevista.

PREGUNTA: Ante todo gracias por los 5 minutos que se ha tomado la molestia de estar con nosotros, porque sabemos que tenía prisa.
RESPUESTA: Encantado, no os preocupéis.

P: Le queríamos un poco empezar a preguntar qué motivación hay hoy en día para interesarse por la física y estudiarla; y más aún luego extenderse a estudiar cosas que no están tan establecidas en lugar de cosas más comunes en el campo de la física.
R: Lo primero quiero decir que la física es algo muy extenso. Mucha gente se piensa que el físico es aquel que está encerrado en un laboratorio, que ni come ni nada, y eso no es verdad. Físicos hay un poco de todo. Hay físicos en laboratorios, hay otros físicos que hacen cosas muy teóricas, otros físicos que trabajan en empresas que hacen un trabajo extraordinario, otros físicos que trabajan en algo técnico, hay físicos que por su formación y diversa actividad hace que sean empresarios… La física es una carrera muy amplia, con muchas posibilidades, sobre todo yo diría eso: con muchas posibilidades. Desde hace algo muy básico, o muy abstracto, hasta hacer algo muy aplicado, y yo creo que esa es una de las motivaciones para estudiar física. Te da una formación con la que puedes hacer desde algo teórico casi tocando la filosofía, a algo muy matemático, a algo muy práctico, hasta construir aparatos o crear nuevos sistemas de comunicación. Es un abanico muy amplio.

P: Su trabajo se centra en la mecánica cuántica y en especial la óptica cuántica. Así a grandes rasgos, para los que no sepamos lo que es la óptica cuántica, cuéntenos un poco qué es, en qué se basa…
R: La óptica cuántica estudia la interacción entre la luz y la materia con una descripción cuántica, es decir tanto la luz como la materia hay que tratarlas con el formalismo cuántico. Típicamente la materia se mueve a velocidades no relativistas, es una teoría cuántica no relativista para la descripción de los efectos entre luz y materia: pues como los átomos o moléculas absorben o emiten fotones, cómo se pueden utilizar esos fotones para manipular los átomos y cómo se pueden utilizar los átomos para manipular los fotones.

P: ¿Dónde aparece la relación entre óptica cuántica y el campo en el que quizás es usted más conocido, la computación cuántica? ¿Dónde aparece la relación entre estos dos temas?
R: La computación cuántica es algo abstracto. Es utilizar las leyes de la física cuántica para realizar cálculos. Ahora, si pensamos cómo hacerlos en la práctica, lo tenemos que hacer con un sistema físico y la óptica cuántica precisamente te dice cómo hacerlo con ciertos sistemas físicos: cómo hacerlo con átomos y con luz.

P: Hablando de los ordenadores cuánticos, ¿cuándo cree que podrán aparecer? ¿Llegarán a poderse utilizar a nivel de usuario? Es decir, si los costes que conlleva la infraestructura que implica un ordenador cuántico actualmente, o que pensamos que implicará, llegará algún día al nivel usuario para que tengamos todos un ordenador cuántico en casa debajo de la mesa ejecutando cálculos para entretenimiento, trabajo, o lo que sea.
R: Pues, no lo se. No se cuándo tendremos un ordenador cuántico, bueno, ordenadores cuánticos tenemos, pero son muy pequeñitos y no sirven para nada que sea competitivo. ¿Cuándo tendremos un ordenador cuántico que pueda hacer cálculos que no podemos hacer hoy en día? No lo se, y eso pueden ser 20, 30, 40 años, depende del desarrollo tecnológico. Por ahora funciona bien, pero no sabemos si nos vamos a encontrar en algún momento con un obstáculo, ese es el problema fundamental.
Y tampoco se como va a ser. No se si habéis visto alguna vez alguna imagen de cómo se imaginaban, los que construyeron los primeros ordenadores, los ordenadores del futuro. Pues una habitación que está llena de palancas y de pantallas de televisión enormes con muchas luces y claro, eso no tiene nada que ver con nuestros portátiles. Así que yo creo que pasa lo mismo con nuestros ordenadores cuánticos. Y de hecho, pues es posible que para las necesidades más mundanas que tenemos hoy en día, para jugar y todo eso, los ordenadores usuales nos cubran ya todas las necesidades.

P: ¿Cuál es el coste medio aproximado que lleva una investigación de un prototipo de ordenador cuántico que pueda efectuar pequeños cálculos?
R: Pues es un coste continuado, pero con un personal de 50 personas sobre un millón de euros al año.

P: Con respecto a la otra alternativa que hay a medio camino entre la computación clásica y la cuántica, que sería la computación con fotónica y guías ópticas, ¿qué perspectiva hay desde el punto de vista de alguien que se dedica a la computación cuántica? ¿Hay peligro de que avance más rápido y se acaben las investigaciones en computación cuántica porque la fotónica resulta ser más productiva?
R: Hay un cambio conceptual. Los ordenadores ópticos son ordenadores clásicos, lo que pasa que funcionan más rápido por lo que sea. El ordenador cuántico no tiene nada que ver con la mejora del software o del hardware, son otras leyes de la naturaleza. Hay cosas que los ordenadores ópticos nunca podrán hacer porque tendrían que utilizar todo el universo como ordenador para poder hacer algo que con 1000 átomos o 100.000 átomos se podría hacer. Es decir, hay algo conceptual, el ordenador cuántico, si lo construimos, siempre podrá hacer cosas que ni un ordenador óptico ni cualquiera que se podría imaginar cualquier persona podría hacer.

P: Por tanto, la principal diferencia es el tipo de procesos que se podrían llevar a cabo con un ordenador cuántico, ¿no?
R: La principal diferencia es las leyes en las que se basa el funcionamiento. El ordenador óptico son las mismas leyes que el ordenador que tienes encima de la mesa: son ceros y unos que se manipulan de una forma o de otra. Ahora, el hardware puede ser óptico, puede ser electrónico… En el cuántico no se trabaja con ceros y unos, se trabaja con estados cuánticos y eso es lo que le da la potencia.

P: Ya para terminar, ¿qué les diría a todos aquellos que están interesados en la física y se van a animar a estudiar la carrera? ¿Algún consejo o recomendación?
R: Lo primero felicitarles porque han escogido una carrera muy, muy buena. Y yo lo que les aconsejaría es que se preparasen bien, que estudien razonablemente, aunque no solo hay que estudiar en la vida porque hay muchas cosas importantes que hacer, pero que estudien razonablemente; que aprendan, y que luego elijan algo que se les de bien y que les guste. Con eso triunfarán. Eso es lo más importante.

P: Y por último, ¿en una o dos palabras cómo calificaría el papel de España en cuanto a la investigación científica?
R: Yo diría que aceptable.

P: Muchas gracias por concedernos esta entrevista.

Nos gustaría dar de nuevo las gracias a Juan Ignacio Cirac por tener la amabilidad de concedernos esta entrevista. Se le vio durante los casi 10 minutos que estuvimos con él como una persona muy cercana y comunicativa: todo un placer hablar con este gran físico.

Saludos

Ayer, en un Beers & Blogs excelente, tuve la ocasión de intercambiar unas pocas palabras con maikelnai sobre un tema que me apasiona y me lleva siempre a la discusión: la energía nuclear. Por algún post que he escrito anteriormente, quienes leeis este blog sabreis que me declaro firmemente pronuclear, pienso que la energía de fisión es un recurso valioso y util que no se aporvecha como se debe en este país. El caso es que maikelnai es de mi opinión, como bién demostró recientemente en algún artículo en el que le llovieron ostias como panes por los típicos progres aculturales de siempre, que solo se mueven por la opinión mediática actual (todos sabemos que si Bono (el cantante, no el político) dice que ser de izquierdas, ateo y antinuclear está bien, todos hemos de serlo).

Yo no creo en el destino ni en ese tipo de pamplinas, pero es que esta mañana, tras abrir el periódico y leer este excelente artículo de Jose María Casielles; me ha parecido que los astros querían escribiese este post aludiendo a uno de los incovenientes que los verdes de turno suelen poner a la energía nuclear. No es el más duro, ni el más que más aparece, ni, por desgracia, el más absurdo; pero es una muestra de la ignorancia de los que a los cuatro vientos repiten esa frase propagandística de “Nucleares, no gracias”. Estoy hablando, por supuesto, del argumento de las reservas limitadas de uranio y la dependencia de la importación para suministrar combustible a nuestros reactores.

La segunda parte de la cuestión es facil de responder si se atiende al mapa inferior, en el que se muestran las reservas de Uranio disponibles en España y que, por cierto, el PSOE de Extremadura gestiona desde hace tiempo como susceptibles de ser explotadas. Por supuesto estoy de acuerdo en que se aproveche la materia prima existente, pero no deja de ser una pequeña paradoja si se compara con la “famosa” frase de nuestro presidente asegurando que “él es el más antinuclear del gobierno”. Quizás, en un desliz humano, se olvidó de añadir la coletilla “siempre que no haya dinero de por medio” (Oh Dios mío, estoy siendo politicamente incorrecto).

La primera parte de la cuestión conlleva una repuesta más elaborada y, ya que estamos en un blog sobre física, ahondemos en una explicación más completa. Para ello, primero es conveniente comprender cómo funciona la fisión nuclear.

La fisión nuclear es la división de un nucleo de un elemento pesado en dos nucleos de elementos de peso medio. En cierto sentido representa el ideal alquímico de la conversión de un material en otro. Sin embargo, ni contiene una dosis tan grande de imaginación y superchería ni es “esa fuerza misteriosa” que Friker dice no entender y que, ¡oh misterio!, explican perfectamente libros de texto universitarios como “Física Cuántica” de Robert Eisberg, que descansa sobre mi mesa. En cierto modo, el modelo práctico de la fisión es sencillo de comprender por cualquiera si se realiza la analogía de la gota para representar el núcleo de Uranio. Es decir, podemos suponer que el núcleo de Uranio es una pequeña gota de agua en la que la fuerzas nucleares sustituyen a la presión superficial que normalmente mantiene unida una gota. Este modelo es una buena aproximación para la geometría de un núcleo pesado debido a la magnitud de la energía de enlace de este.

Siguiendo esta óptica, se puede explicar la fisión nuclear como el proceso de ruptura de la gota por la aplicación de una pequeña presión externa que porvoca su separación en dos gotas más pequeñas. Esta presión, en la realidad del núcleo de Uranio, vendría representada por el impacto, o captura, de un neutrón contra el nucleo. En principio el proceso parece trivial y sin demasiada importancia. Sin embargo, cuando se calculan las masas nucleares del Uranio y de los elementos resultantes (comunmente dos núcleos de Bario y Kripton, pues la fisión no es simétrica debido a consideraciones energéticas) resulta que ¡son distintas! Es decir, al producirse la fisión se produce un defecto de masa que se libera en forma de energía cinética de los núcleos resultantes (pues, como Einstein formuló, la masa y la energía son dos representaciones físicas de un mismo ente).

Además, si se calcula la energía liberada por la fisión de un kilogramo de uranio, se obtiene que es del orden de cien mil veces mayor a la liberada por la combustión de la misma masa de carbón; constituyendo así la fisión nuclear una fuente de grandes cantidades de energía. Así mismo, la fisión de un núcleo libera dos o tres neutrones más que podrían utilizarse para fisionar nuevos núcleos y obtener, así, una reacción en cadena de alto rendimiento energético.

Como se ve, el proceso de físión nuclear (como muchas cosas en física) es, sorprendentemente, muy sencillo de comprender y, así mismo, de utilizar como generador energético. Sin embargo, existe un inconveniente, y es que este proceso no ocurre en todos los elementos, si no que, y esa es la razón de que utilizase el Uranio como ejemplo en la explicación anterior, solo puede ocurrir en núcleos cuya barrera de energía de enlace sea menor que la energía aportada por un neutrón capturado. Si esta condición no se da, aún existe la posibilidad de que se produzca fisión espontanea, pero esta es tal que solo se fisionaría un núcleo cada cien mil billones de años, y salvo que los Matusalenes bíblicos sean reales, el aprovechamiento de la energía en esas condiciones es inviable.

Así pues, solo en ciertos átomos se puede porducir una fisión por captura de un neutrón. Y resulta que el Uranio es especialmente propenso a ello, debido a que la barrera de energía del núcleo (la energía que hay que aportarle para que se rompa en dos) es menor que la energía de captura de un neutrón. Es decir, incluso si el neutrón se acercase al núcleo con velocidad nula, este fisonaría. Por ello, los elementos más utilizados en las centrales nucleares son los isótopos 233 y 235 del Uranio (núcleos con 233 y 235 elementos constituyentes, sumando protones y neutrones).

Hasta aquí la tediosa explicación, es momento de volver a la cuestión inicial y al incoveniente que tan bien mal describe Greenpeace en su página web. Sin atender a la parca forma de explicarse de la organización (pone palabras en boca ajena sin referir siquiera un enlace que lo justifique) diré que las reservas de Uranio mundial son capaces de mantener el consumo actual por más de 300 años. ¿Y despues? Direis. Hay alternativas, yo contestaré.

Pese a que anteriormente dije que los elementos óptimos para la fisión nuclear son dos isótopos de Uranio, eso no quiere decir que no existan otros elementos eficientes como combustible para las centrales. Concretamente, como alternativa a una hipotética “crisis del Uranio” existe el Torio. Este elemento es entre unas cuatro y cinco veces más abundante que el Uranio (lo que nos llevaría a poder mantener los reactores actuales del orden de 1300 a 1500 años si utilizamos Torio como combustible) y que se puede utilizar para fisión de manera óptima si primero sufre un tratamiento de procesado mediante el cual se obtiene Uranio 233 de alta pureza; ¡y este si que es un material idoneo para la generación elétrica mediante fisión!

Con esto no quiero ser utópico, se perfectamente que un tratamiento previo de procesado encarecería el coste del megavatio-hora, pero aún así, este sería inferior al que se consigue mediante combustión del carbón, energía solar (algunos sueñan con poblar el sahara de paneles fotovoltaicos) o el tan de moda actualmente ciclo combinado.

En fin, el problema de este país siempre es el mismo, y no dejaré de decirlo, la ignorancia. Pero ya sabeis: “El hombre es el único animal que tropieza dos veces con la misma piedra”. Y creo que todavía hemos de tropezar muchas veces con el borreguismo.

Ya que últimamente está muy de moda todo lo relacionado con la física nuclear y subatómica (siendo el LHC el culpable de todo esto) no estaría de más que algunos conocimientos básicos llegasen al público en general para que comprendiesen porqué el dinero público se invierte en eso de acelerar partículas. Para ello, un primer paso sería enumerar y explicar la multitud de fenómenos cuánticos que se presentan en la naturaleza y que, tras años de estudio, hemos sido capaces de desarrollar y de utilizar a nuestro favor en la tecnología.

Si bien existe una base muy amplia detrás de todos estos efectos, existen muchos libros y artículos que se dedican a desgranar propiedades cuánticas como la indeterminación o el porqué de la descripción a través de funciones de onda de una manera muy clara y, por supuesto, mucho mejor de lo que yo podría hacer en este humilde blog.

Sin embargo, hay un efecto bastante curioso que no se suele tratar a nivel divulgativo y que se relega a ser explicado en los libros de física cuántica propiamente dicha, libros que no están al alcance de la comprensión de cualquiera (a veces ni de los que nos dedicamos a esto). Este es el efecto túnel.
El efecto túnel es la propiedad que tienen las partículas subatómicas de cruzar a terrenos que, según la física clásica estarían prohibidos para ellas; hablando en términos más técnicos, la capacidad de las partículas de cruzar una barrera de potencial. Para comprender esto con claridad supongamos que lanzamos un electrón (una partícula de carga negativa) contra otro. Puesto que las dos partículas poseen idéntica carga eléctrica, aparecerá una fuerza encargada de repelerlas y que, en ausencia de otras fuerzas, impedirá que las partículas se toquen entre sí; es decir, el campo eléctrico creado por las partículas genera una barrera que les impide tocarse.

Este es un pequeño análisis de la situación mediante términos clásicos, en los que el electrón posee una posición y una velocidad definidas. Sin embargo… ¿qué ocurre si observamos el fenómeno de manera correcta bajo las leyes de la física cuántica, concretamente del principio de incertidumbre? Como este principio explica, una partícula no posee una posición y una velocidad definidas, si no que ambas magnitudes están difusas, pueden tomar valores de un amplio catálogo, cumpliéndose que, cuanto mejor conozcamos una de las magnitudes, peor conoceremos la otra. Así, una pequeña reflexión sobre el fenómeno anterior nos lleva a la conclusión de que, si la incertidumbre en la posición es lo suficientemente alta, esta podrá extenderse hasta la región que, en principio sería inaccesible, provocando que la partícula pueda estar encontrarse en ella.

Puede parecer endemoniadamente incomprensible, como todo lo que ocurre en terreno cuántico, pero tiene su lógica detrás si se estudia el fenómeno desde el objetivo de las funciones de onda.

Es decir, supongamos que el electrón que lanzamos contra la barrera está representado por una función que, en ciertos términos, definirá la probabilidad de encontrar al electrón en las distintas zonas de espacio. Esta función de onda, como todas las de su tipo, se obtiene como solución de la ecuación de Schrödinger:

Y aquí es donde aparece la distinción con la teoría clásica y el porqué del efecto túnel.

En física clásica, el movimiento de las partículas está regido por las ecuaciones de Newton, ecuaciones cuya solución es nula si la partícula tiene menos energía de la que necesita para cruzar las barreras de potencial. Es decir, la partícula “sufre” los efectos del Principio de Conservación de la Energía. Veámoslo así, supongamos que lanzamos la partícula hacia arriba con todas nuestras fuerzas y, por tanto, otorgándole una cantidad de energía en forma de velocidad (energía cinética). Es lógico, que llegará un punto desde el que la partícula no pueda subir más, y este punto será más alto cuanta más velocidad, más energía cinética, tenga la partícula; siendo los puntos más altos inaccesibles para esta.

Sin embargo, en el mundo de la física cuántica esto no ocurre. La anterior ecuación de Schrödinger, que sustituye a las ecuaciones de Newton a la hora de conocer la evolución de un sistema, posee solución no nula incluso si la energía de la partícula es menor que la necesaria para acceder a determinadas zonas del espacio. Esto provoca que exista una probabilidad, menor cuanto más penetremos en la barrera de potencial, de encontrar a la partícula en zonas que, en principio, serían inaccesibles para ella. ¡Y esto se da incluso cuando la partícula “rebota” en la barrera de forma completa!
Así pues, el poder encontrar partículas fuera de su zona accesible es una confirmación directa de la validez de la explicación cuántica y un fenómeno que permite multitud de usos en la tecnología moderna.

Funcionan, utilizando el efecto túnel como fenómeno fundamental: los grandes telescopios de efecto túnel, ciertos tipos de detectores de radiación y determinados componentes electrónicos como los diodos túnel entre otras cosas. También es el efecto túnel el culpable de la capacidad de Gata Sombra de atravesar las paredes, provocando que todas las moléculas de su cuerpo tunelen a la vez.

Y como último párrafo os dejo una curiosidad sobre el efecto túnel. Recordemos que, este fenómeno, implica que las partículas puedan estar en zonas a las que, en principio no podrían llegar. Bueno, pues os comunico que existen posibilidades de que todas vuestras moléculas tunelen a la vez y os convirtáis en las primera persona en Marte. ¿La pega? Esto solo ocurrirá una vez en un tiempo igual a dos edades del Universo… aunque bueno, yo estoy convencido de haber perdido un anillo porque tuneleó a través del suelo…

Así que ya sabéis, la verdad está ahí fuera… o por lo menos existe alguna probabilidad de que esté.

Me parece increible que todavía no le haya dedicado una entrada a esta MARAVILLA de juego; porque la verdad es que lo tiene todo. Una historia genial en el marco de la ciencia ficción madura, un desarrollo físico consecuente con todas las hipótesis introducidas que permite mantener la coherencia del marco narrativo y una capacidad para transmitir una experiencia de juego como pocos juegos saben hacer hoy en día.
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Me siento en el sofa, cojo la Nueva España y… ¿qué leo? Que dos científicos han denunciado al CERN porque el LHC va a destruir el mundo y llevarse con él un trozo del universo.

¿Mi reacción? Correr hacia el ordenador, encontrar una entrevista a uno de ellos, español encima, y ponerlos a parir. Espero que os deleite…

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