Computación cuántica : Progresos y perspectivas

National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2019. Quantum Computing: Progress and Prospects. Washington, DC: The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/25196.

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La mecánica cuántica, el subcampo de la física que describe el comportamiento de las partículas muy pequeñas (cuánticas), proporciona la base para un nuevo paradigma de computación. Propuesto por primera vez en los años 80 como una forma de mejorar el modelado computacional de los sistemas cuánticos, el campo de la computación cuántica ha recibido recientemente una atención significativa debido a los avances en la construcción de dispositivos a pequeña escala. Sin embargo, se necesitarán importantes avances técnicos antes de que se pueda lograr una computadora cuántica práctica y en gran escala.

Quantum Computing: Progress and Prospects ofrece una introducción al campo, incluidas las características y limitaciones singulares de la tecnología, y evalúa la viabilidad y las implicaciones de crear una computadora cuántica funcional capaz de abordar problemas del mundo real. En el presente informe se examinan los requisitos de hardware y software, los algoritmos cuánticos, los factores que impulsan los avances en la informática cuántica y los dispositivos cuánticos, los puntos de referencia asociados a los casos de uso pertinentes, el tiempo y los recursos necesarios y la forma de evaluar la probabilidad de éxito.

Una prueba en el nexo de la matemática pura y los algoritmos pone la «rareza cuántica» en un nivel completamente nuevo.

Un investigador ha escrito que un nuevo resultado matemático relacionado con el entrelazamiento cuántico ha sacudido su convicción básica de que «la naturaleza es, en algún vago sentido, fundamentalmente finita».

Albert Einstein dijo que la mecánica cuántica tenía que permitir que dos objetos se afectasen en su comportamiento mutua e instantáneamente, a través de vastas distancias, y que a esto lo llamó «fantasmagórica acción a distancia». Bastantes años después de su muerte, los experimentos lo confirmaron, pero hasta el día de hoy sigue sin estar exactamente claro cuánta coordinación permite la naturaleza entre objetos distantes. Ahora, cinco investigadores dicen que han resuelto un problema teórico que muestra que la respuesta es, en principio, incognoscible.

Su artículo, de 165 páginas de largo, ha salido en el repositorio de prepublicaciones arXiv; todavía no ha sido revisado por pares. Si se validan sus resultados, habrá resuelto  un número de problemas interrelacionados de matemáticas puras, mecánica cuántica y teoría de la complejidad (una rama de la ciencia de la computación). En particular, da la respuesta de un problema matemático que llevaba sin resolver más de 40 años.

En el artículo está una prueba de un teorema de la teoría de la complejidad, la teoría que trata de la eficacia de los algoritmos. Estudios anteriores habían demostrado que se trata de un problema equivalente a esa fantasmagórica acción a distancia, conocida también como entrelazamiento cuántico. El teorema tiene que ver con un problema de la teoría de juegos:

A dos jugadores que forman equipo les es factible coordinar sus acciones mediante el entrelazamiento cuántico pese a que les está vedado hablarse entre sí, y de ese modo ambos pueden «ganar» mucho más a menudo que sin el entrelazamiento cuántico. Pero a los dos les es intrínsecamente imposible calcular una estrategia óptima, como muestran los autores. Significa que es imposible calcular cuánta coordinación podrían alcanzar en teoría. «No hay algoritmo que te vaya a decir cuál es la máxima violación que se puede obtener en mecánica cuántica», afirma Thomas Vidick, uno de los autores, del Instituto de Tecnología de California, en Pasadena, «Lo asombroso es que la teoría de la complejidad cuántica haya sido la clave de la prueba», dice Toby Cubitt, del University College de Londres.

Rápidamente se corrió la voz por las redes sociales en cuanto apareció el artículo el 14 de enero. Cundió la emoción. «Me parecía que podría convertirse en una de esas cuestiones de la teoría de la complejidad que quizá tardasen cien años en tener respuesta»tuiteó Joseph Fitzsimons, director de Horizon Quantum Computing, una nueva empresa de Singapur. Otro físico, Mateus Araújo, de la Academia Austriaca de Ciencias, en Viena, comentaba expresivamente la sensación que le había causado. y decía: «no se me habría pasado por la cabeza que fuera a ver este problema resuelto en los días que me quedasen por vivir».

Propiedades observables

Por lo que se refiere a las matemáticas puras, el problema se conocía como Problema de la inmersión de Connes, por el matemático Alain Connes, ganador de la medalla Fields. Es un problema de la teoría de operadores, rama de las matemáticas que a su vez surgió de los intentos de proporcionar fundamentos a la mecánica cuántica en la década de 1930. Los operadores son matrices de números que pueden tener un número finito o infinito de filas y columnas. Desempeñan un papel crucial en la teoría cuántica, donde cada operador codifica una propiedad observable de un objeto físico. En un artículo de 1976 Connes, utilizando el lenguaje de los operadores, se preguntaba si los sistemas cuánticos con infinitas variables medibles podían tener como aproximación sistemas más simples, con un número finito de esas variables.

Pero según el artículo de Vidick y sus colaboradores la respuesta es no: hay, en principio, sistemas cuánticos que no pueden tener como aproximación otros «finitos». Según un trabajo del físico Boris Tsirelson, que reformuló el problema, esto quiere decir además que resulta imposible calcular la cantidad de correlación que dos sistemas así pueden exhibir a través del espacio cuando están entrelazados.

Campos dispares

La prueba ha sorprendido a muchos especialistas. «Estaba seguro de que el problema de Tsirelson tenía una respuesta positiva», escribió Araújo en sus comentarios, y añadía que el resultado sacudía su convicción básica de que «la naturaleza es, en algún vago sentido, fundamentalmente finita».

Pero apenas si se han empezado a comprender las consecuencias del resultado. El entrelazamiento cuántico está en el núcleo mismo de los nacientes campos de la computación cuántica y de las comunicaciones cuánticas, y podría valer para construir redes superseguras. En particular, medir la cantidad de correlación entre objetos entrelazados a lo largo de un sistema de comunicaciones puede aportar la prueba de que está a salvo del fisgoneo. Pero los resultados probablemente no tienen consecuencias tecnológicas, mantiene Wehner, ya que todas las aplicaciones usan sistemas cuánticos «finitos». De hecho, podría resultar difícil siquiera sea concebir un experimento que ponga a prueba la rareza cuántica en un sistema intrínsecamente «infinito», dice.

La confluencia de la teoría de la complejidad, la información cuántica y las matemáticas significa que hay muy pocos investigadores que puedan captar todas las facetas del artículo. El propio Connes le ha dicho a Nature que no está cualificado para hacer un comentario. Pero añadió que le sorprendía cuántas ramificaciones tenía. «Es asombroso que el problema ahonde tanto. ¡Nunca me lo habría imaginado!».


Davide Castelvecchi / Nature News. Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Reacciones químicas a escala atómico-molecular

Investigadores de la Universidad de Oxford, la Universidad de Salamanca y la Universidad Complutense de Madrid han publicado un artículo en Nature Chemistry que supone dar un paso más hacia un control de las reacciones químicas a escala atómico-molecular, donde rigen las reglas de la mecánica cuántica.

Side-impact collisions of Ar with NO | Nature Chemistry

“Side-impact collisions of Ar with NO”. Cornelia G. Heid, Victoria Walpole, Mark Brouard, Pablo G. Jambrina & F. Javier Aoiz. Nature chemistry (2019). https://doi.org/10.1038/s41557-019-0272-3

Los británicos han conseguido realizar un complicado experimento por medio de láseres en el que un átomo de argón (Ar) impacta en una molécula de óxido nítrico (NO) y los españoles han realizado los cálculos computaciones que lo explican.
“Hemos trabajado de forma independiente pero simultánea”, explica Pablo García Jambrina, investigador del Departamento de Química Física de la Universidad de Salamanca. En el experimento, los investigadores consiguen orientar la molécula de NO por medio de campos eléctricos y disparan contra ella un átomo de argón gracias al láser.

El objetivo es comprobar cuál es el resultado de la colisión, ver en qué dirección sale disparada la molécula, y cómo depende de la forma en la que el NO está orientado. “Es como tener un bolígrafo y lanzar una canica, el resultado del impacto dependerá de muchos factores, por ejemplo, de cómo esté orientado el boli”, comenta.

“Ellos han conseguido detectar lo que ocurre al final del experimento, mientras que nosotros lo hemos podido reproducir por medio de cálculos y todo coincide, se trata de predecir cosas muy específicas, por ejemplo, por qué lado de la molécula va a atacar el átomo”, señala.

Aunque se trata de ciencia básica y su objetivo es aumentar el conocimiento, esta investigación puede contribuir a mejorar el control químico. “Si quiero que se produzca una reacción química y que dé lugar a unos determinados productos, hasta ahora nos limitamos a poner en contacto dos elementos, pero es difícil controlar todo lo que sucede”, indica Pablo García Jambrina.

Onda y partícula a la vez en el mundo cuántico

En este sentido, la materia a escala de los átomos y las moléculas no se comporta igual que a escalas mayores, por eso se distingue la física cuántica de la física clásica. “El comportamiento es diferente porque a escala cuántica una partícula puede ser también una onda”, indica el investigador. De hecho, puede haber reacciones inesperadas y el objetivo de los científicos es tratar de predecirlas.

Pablo García Jambrina

 

Este científico zamorano realizó el trabajo, publicado en la revista Nature Chemistry, cuando trabajaba en la Universidad Complutense de Madrid, pero hace menos de un año se incorporó a la Universidad de Salamanca  para desarrollar un nuevo proyecto gracias al Programa de Atracción del Talento Científico del Ayuntamiento de Salamanca.

Aunque sigue estudiando reacciones químicas a escala atómica, ahora lo hace en sistemas biológicos, lo que puede tener aplicación en el diseño de fármacos. “Es muy importante conocer cómo se comportan las proteínas, saber qué reacciones se producen y no actuar a ciegas si queremos actuar sobre un proceso”, asegura.


Fuente: AgenciaSINC. Foto: salamanca24horas

Análisis moderno de Fourier y ecuación de calor de Fourier en las ciencias para el siglo XXI

Joseph Fourier - Buscar con Google

Barbaresco, Frédéric ; Gazeau, Jean-Pierre. Joseph Fourier 250th Birthday. Modern Fourier Analysis and Fourier Heat Equation in Information Sciences for the XXIst century. MDPI – Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2019. doi.org/10.3390/books978-3-03897-747-6
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A la descripción del fascinante mundo de las estructuras periódicas en la física de la materia condensada hay que añadir los desarrollos de los últimos 30 años de las aplicaciones del análisis armónico. Las nociones de conjuntos de modelos, introducidas por Y. Meyer, y de funciones casi periódicas, se han revelado extremadamente fructíferas en este campo de las ciencias naturales.

El nombre de Joseph Fourier es también inseparable del estudio de las matemáticas del calor. En 1822 publicó Teoría analítica del calor, basándose en parte en la ley del enfriamiento de Newton. A partir de esta teoría desarrolló la denominada «serie de Fourier», de notable importancia en el posterior desarrollo del análisis matemático, y con interesantes aplicaciones a la resolución de numerosos problemas de física (más tarde, Dirichlet consiguió una demostración rigurosa de diversos teoremas que Fourier había planteado). Dejó inacabado su trabajo sobre resolución de ecuaciones, que se publicó en 1831 y que contenía una demostración de su teorema sobre el cálculo de las raíces de una ecuación algebraica.

La investigación moderna sobre ecuaciones de calor explora la extensión de la ecuación de difusión clásica en los grupos de Riemannio, colectores sub-Riemannio y Lie. Paralelamente, en mecánica geométrica, Jean-Marie Souriau interpretó el vector de temperatura de Planck como un vector espacio-temporal, obteniendo así un modelo fenomenológico de medios continuos, que presenta algunas propiedades interesantes. Un último comentario se refiere a las contribuciones fundamentales del análisis de Fourier a la física cuántica: Mecánica cuántica y teoría de campos cuánticos.

El contenido de este número especial destacará trabajos que exploran el análisis armónico no conmutativo de Fourier, las propiedades espectrales del orden no-periódico, la ecuación del calor hipoelíptico y la ecuación del calor relativista en el contexto de la Teoría de la Información y la Ciencia Geométrica de la Información.

Problemas ontológicos de la Mecánica Cuántica

Emergent Quantum Mechanics | MDPI Books

Walleczek, Jan (ET AL.). Emergent Quantum Mechanics: David Bohm Centennial Perspectives. MDPI – Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2019. ISBN: 9783038976165
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El resurgimiento del interés por las teorías de “nivel más profundo” para los fenómenos cuánticos desafía la interpretación estándar de los libros de texto.

Este libro presenta puntos de vista de expertos que evalúan críticamente la importancia -para la física del siglo XXI- de la ontología en la mecánica cuántica, un enfoque que David Bohm ayudó a promover.

La posibilidad de una teoría cuántica determinista fue introducida por primera vez con la teoría original de Broglie-Bohm, que también ha sido desarrollada como mecánica de Bohmian. La amplia gama de perspectivas que se aportaron a este libro con motivo de la celebración del centenario de David Bohm proporciona una amplia evidencia de la consistencia física de la mecánica cuántica ontológica.

El libro aborda cuestiones más profundas como las siguientes: ¿Es la realidad intrínsecamente aleatoria o fundamentalmente interconectada? ¿Es el universo local o no local? ¿Podría una concepción radicalmente nueva de la realidad incluir una forma de causalidad cuántica u ontología cuántica? ¿Cuál es el papel del agente experimentador?

Como demuestra el libro, el avance de la “ontología cuántica” -como concepto científico- marca una clara ruptura con la realidad clásica. La búsqueda de la realidad cuántica implica estructuras causales no convencionales y ontologías no clásicas, que pueden ser totalmente coherentes con el registro conocido de observaciones cuánticas en el laboratorio.