Sunday, April 10, 2016

¿Por qué un nuevo estado de la materia abre la puerta a ordenadores cuánticos?


Recreación artística del comportamiento de los electrones en el nuevo estado de la materia. OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY

Los seres humanos ansiamos cosas nuevas si esas cosas mejoran nuestra calidad de vida, y la ciencia en general la ha mejorado, con importantes excepciones.
Hay quienes están ilusionados con los viajes a Marte, no se sabe bien porqué. América proporcionaba un nuevo espacio donde vivir, amable con los humanos, con plantas y animales, incluso con otros seres humanos que podían esclavizarse, por desgracia. Los barcos que iban a las Américas se podían utilizar para volver de ellas. Pero si algunos humanos llegan a Marte, al menos en estos siglos XXI y XXII, no podrán volver a la Tierra, y sus vidas serán esencialmente estériles.
Pero la ilusión existe, como existe la ilusión por la piedra filosofal, aquella que convertía en oro todo lo que tocaba, sin esfuerzo alguno. Si es sin esfuerzo, ansiamos la riqueza, la inmortalidad, la juventud eterna.  (Si es con esfuerzo, estas cosas ya llaman menos la atención).
Periódicamente aparecen noticias que despiertan la ilusión de los seres humanos. Una de estas es el posible manejo de una cuasi-partículas denominadas 'fermiones de Majorana', con los que se propone construir ordenadores cuánticos hiperpotentes, con gastos muy bajos.
¿Qué podrían ser estos fermiones de Majorana?
Loe electrones que conducen la electricidad en los cables de cobre que llegan hasta nuestras casas son fermiones, partículas que no pueden estar juntas con las mismas características, por ejemplo con los mismos spines y energías. Estas partículas se mueven bajo la fuerza eléctrica generada por una diferencia de potencial: Los ''voltios''.  Pero al moverse interaccionan entre sí y con los átomos cargados del cable de cobre: Hay resistencia al movimiento, la resistencia eléctrica medida en ohmios.  Cuando baja la temperatura del cable de cobre, bajan sus ohmios, y para la misma diferencia de potencial hay mas corriente eléctrica en el cable.
Cuando la temperatura baja mucho, por debajo de un cierto punto crítico (¡Otra vez los puntos críticos!), de repente la resistencia no es que disminuya, es que se hace exactamente igual a cero: Se produce superconductividad, y mientras la temperatura se mantenga por debajo de ese punto crítico, la resistencia no deja de ser cero aunque la corriente circule por el cable durante miles de años.
Por debajo de esa temperatura crítica, los electrones se aparean entre sí, y dejan de interaccionar con otras parejas de electrones y con los átomos cargados de la red del metal.  Estas parejas se convierten en partículas aisladas: circulan, fluyen, forman una corriente eléctrica pero para ellas el estar dentro de un cable lleno de átomos es indiferente. No los notan. Se mueven como en el vacío.
De una manera similar al apareamiento entre electrones en los superconductores, los fermiones de Majorana surgen como estados ligados en esos mismos superconductores. Sin embargo, ahora, en vez de formar parejas de electrones, se forman parejas de electrones y la carencia de ellos: hoyos de carga positiva en los lugares donde debería haber un electrón pero este ha volado.
Dentro de un sólido las interacciones de muy largo alcance actúan enlazando o liberando partículas cargadas, aún cuando éstas tengan la misma carga y directamente se repelan. mirando el metal más de cerca, los elecrones se repelen , pero no pueden alejarse uno de otro, pues las fuerzas de los protones atómicos de la red, y de otros electrones, les obligan a estar juntos.
Los fermiones de Majorana (que no son fermiones, aunque si fueron propuestos por este científico ya en 1937) son realmente estados ligados de electrones y hoyos positivos que se mueven como apareados. Al ser parejas negativas-positivas carecen de carga neta, y se pueden mover por la red atómica sin resistencia.

Se les suele detectar en los extremos de cables eléctricos superconductores  como se ve en la imagen de arriba.
Estas cuasi-partículas son realmente aniones no conmutables (no Abelianos) pues intercambiar entre sí dos de estas cuasi-partículas cambia el estado del sistema. Supongamos que el estado de todo un sistema depende de que primero haya una silla blanca y despues de ella una roja. El estado no es el mismo si ponemos primero una roja y detras una blanca. Esto es lo que quiere decir no Abeliano.
Tenemos pues una posibilidad de emplear esos -axiones- para realizar ordenadores a nivel cuántico.
Un ordenador no es mas que un conjunto de quadrillones de objetos que cambian de estado constantemente.  Lo que ocurre dentro de los i-phones, de las tabletas, de los portátiles, de los superordenadores, es que en cada posición de sus memorias (y al final la computación no es más que el cambio de memoria) hay puntos que pasan de 0 a 1 o de 1 a 0, o de azul a rojo o de rojo a azul, o de + a -, o de - a +, o de -sí-  a -no- o de -no- a -sí-.
La esencia de un ordenador es la contraposición radical (binaria) de dos estados radicalmente distintos. Esto hace que los cálculos sean estables o dejen de serlo en sistemas no binarios, en sistemas continuos.
De hecho, la vida es posible solo gracias a los estados binarios. Gracias a ellos, un poco de una cosa se convierte automáticamente en esa cosa, y un poco de la contraria, en la contraria. Al hacerse así, las interacciones de las bases del ADN funcionan copiando casi sin errores, lo que no es posible con sistemas continuos.
Si tenemos sistemas  a nivel cuántico que pasan de un estado a otro distinto al intercambiar dos axiones de Majorana, tenemos la posibilidad de tener ordenadores.
Los sistemas de cuasi-partículas de Majorana (realmente su apellido es de Bogoliubov)  son esencialmente estables al ser casi bidimensionales. Romper una de esas cuasi-partículas o axiones es como romper una cuerda que se puede enlazar con otra, mientras que el uso de electrones en los ordenadores cuánticos es similar a tratar de controlar bolas de tenis chocando contra una pared.
El futuro está abierto. Habrá numerosos equipos de investigadores que tratarán de conseguir trillones de esas cuasi-partículas, sistematizadas en redes manipulables, formando memorias inmensas cuyos elementos tienen el tamaño de un electrón, mucho menor que lo que se consigue hoy manipulando solo electrones en los transistores de un ordenador.
¿Se avanzará?
Los científicos llevan más de 50 años tratando de dominar el plasma de hidrógeno para controlar la fusión nuclear.
Se buscan desde hace casi 100 años los superconductores a temperatura ambiente, y estaría muy bien encontrar la fusión fría.
Yo hice mi tesis en la teoría de la turbulencia en fluidos. La turbulencia es lo que vemos cuando abrimos un grifo de agua con fuerza. Es algo cotidiano, común, casi elemental.
Llevamos buscando la explicación científica (no el uso) de la turbulencia desde hace 160 años, con muy escasos avances.
Hay cosas en la ciencia que son inmediatas (el transistor, el laser) y otras que se resisten como gatos panza arriba.
Veremos de que tipo resultan ser las cuasi-partículas de Bogoliubov  o fermiones de Majorana: Inmediatas como los transistores, o endiabladas como la turbulencia.
Esperemos.

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