Examen básico de Física Cuántica (para aquellos que "han estudiado")

Como es bien sabido, en la actualidad hay mucha estafa que utiliza la física cuántica como excusa. Ya hemos hablado de eso en este blog en entradas como La física cuántica NO sustenta la homeopatía, Decálogo en contra del esoterismo cuántico o en mi charla Física cuántica, qué dice y que NO dice. 

Hoy, por sugerencia de mi amigo virtual Agustín (@SUgayos), he decidido traeros una herramienta para que podáis distinguir fácilmente a un físico cuántico de un estafador. Se trata de un examen muy sencillo que cualquiera que haya estudiado algo de física cuántica (a nivel de grado o equivalente) debe poder resolver sin problemas. Seguro que para tu gurú cuántico favorito es pan comido, así que no dudes en pasárselo y ver cómo lo resuelve.

No pongo las soluciones porque entonces perdería su utilidad, pero siempre podéis consultarme a mí o a cualquier otro profesor de física cuántica para comprobar las respuestas. Podéis usar los comentarios para ello, of course.

Sin más dilación aquí está el examen:

Una versión de mayor calidad (en .pdf) la podéis encontrar aquí. Tengo intención de hacer también una versión en inglés, para que Deepack Chopra pueda también impresionarnos a todos con sus conocimientos. La veréis en breve en este mismo blog. 

Física Cuántica: Qué dice y que NO dice

Ya podéis ver en Youtube la charla que di el pasado mes de diciembre en el evento divulgativo Desgranando Ciencia 4.

Espero que os guste.

365 curiosidades sobre física cuántica, computacional y estadística.

La semana pasada me enteré de la moda de Twitter de contar cosas aleatorias personales en función de los 'likes' que tenga un tweet. Al verlo decidí darle un toque algo más cultural y propuse escribir una curiosidad sobre física cuántica o computacional en función de los likes que tuviera el siguiente tweet:

Francamente, no me esperaba este éxito y el tweet alcanzó en un momento los 100 'likes'. Al ritmo que escribía fueron aumentando, y en el momento de empezar a escribir este post ya llegaban a los 332.  Como lo que se pone en Twitter se suele perder con el tiempo he decidido transcribirlos aquí para la posteridad. He decidido transcribirlos en lugar en insertarlos por si algún día mi cuenta de Twitter desaparece. Al final han saliudo 365 curiosidades. Muchas incluyen imágenes, vídeos y enlaces.

Este es el post que lo inició todo:

Creo que soy el último en apuntarse a esta moda.

1 fav= 1 curiosidad sobre física computacional y/o cuántica.

— Daniel Manzano (@spidermanzano) June 6, 2017

Y aquí las curiosidades:


1. El algoritmo más usado para resolver ecuaciones diferenciales sigue siendo Runge-Kutta. Con cuarto orden se obtienen resultados muy buenos.

Crean una superposición cuántica de eventos (causa-efecto)

La superposición cuántica, también llamada coherencia, es un fenómeno al que estamos ya bastante acostumbrados. Habitualmente, si un sistemas cuántico puede estar en dos estados también puede estar en la superposición de dos estados. Eso se ha estudiado en muchos casos, incluyendo electrones que cruzan dos rendijas, fotones que siguen múltiples caminos o átomos que están excitados y no-excitados al mismo tiempo. Parece que ya se han conseguido todas las superposiciones posibles.

Aún así, siempre hay quien quiere ir más allá. Investigadores de Viena ha seguido esa filosofía y han creado un nuevo tipo de superposición, una superposición de eventos [1].

Veamos qué quiere decir esto. Imaginemos que tenemos a nuestros dos investigadores favoritos, Alice y Bob. Han decidido hacer una operación cada uno en un qubit (bit cuántico). Este puede estar en dos estados $\left|0\right>$ o $\left|1\right>$. La operación que hagan da un poco igual. Puede ser convertirlo en $\left|0\right>$, en $\left|1\right>$, invertirlo o incluso leerlo. La cuestión es que tienen que decidir quien hará primero su operación. Para no pelearse deciden que eso lo determinará otro qubit que usarán como moneda. Si ese otro qubit es $\left|0\right>$ primero actuará Alice y luego actuará Bob. Si es $\left|1\right>$ será al contrario. No parece nada complicado por ahora.

Congreso. "14th Granada Seminar, sistemas cuánticos: Fundamentos, dinámica y aplicaciones"

Como parte de mi labor divulgativa intento contar de vez en cuando en qué consiste mi trabajo como científico y profesor. Por eso os quiero hablar de un evento que está ocupando bastante de mi tiempo, la organización de un congreso en Granada.

El Big Bell Test. Un experimento en física cuántica que necesita tu ayuda

Como ya hemos explicado por aquí, el entrelazamiento cuántico es una propiedad fascinante. Podéis usar el buscador del blog (a la derecha) para ver que no es un tema que nos sea ajeno. También hemos discutido los experimentos que demuestran que existe este fenómeno, en concreto los experimentos de Bell.  Estos experimentos tienen unos requerimientos muy específicos y difíciles de conseguir. Uno de ellos es el que las dos partes que forman parte del experimento, Alice y Bob, realicen una serie de medidas de manera aleatoria y libre. Podéis leer más al respecto en esta entrada (en inglés) que escribí para Mapping Ignorance. Para realizar esta selección de medidas aleatorias se han usado típicamente generadores de números pseudoaleatorios o bien generadores de números aleatorios cuánticos.

Alice y Bob deben poder realizar sus experimentos libremente. Fuente: Mapping Ignorance

Un interruptor atómico controlado por simetría

Recientemente he publicado un trabajo en el que llevaba bastante trabajando y que he de reconocer que me ha gustado mucho. El título en inglés es An atomic symmetry-controlled thermal switch y ha sido publicado en la revista Scientific Reports, que es de Open-Acces por lo que podéis ver el artículo sin subscripción. El trabajo lo realicé con mi supervisora en Singapur Elica Kyoseva. 

La idea original venía de otro artículo que hice unos años atrás en Physical Review B, Symmetry and the thermodynamics of currents in open quantum systems. En ese artículo estudiamos un caso más general. Simplemente tenemos un sistema cuántico (átomos, espines, moléculas o lo que sea) conectado a otros dos sistemas. Estos otros sistemas son muy grandes y tienen distinta temperatura. Eso hace que por nuestro sistema cuántico comience a correr una corriente de energía. Esto es algo análogo a poner un extremo de una barra de hierro al rojo vivo y la otra meterla en hielo, evidentemente una energía irá del extremo más caliente al más frío. 

Transporte cuántico III: Una historia de bosones, fermiones y sus primos los espines

Terminemos ya con la serie de posts sobre mi investigación en transporte cuántico multidimensional. Como ha pasado ya un tiempecillo os recomiendo echarle un ojo a las entradas anteriores, Transporte cuántico I. Sistemas de una dimensión y Transporte Cuántico II: Espines y osciladores no son tan parecidos.

Ahora os contaré la investigación que hice en mi grupo de Boston, donde dimos respuesta a algunos de los interrogantes que encontramos en mi investigación previa. Recapitulemos las conclusiones del post anterior que era básicamente la información que tenía cuando empecé con mi entonces nuevo grupo. 

- En una dimensión espines y osciladores armónicos (o bosones) tienen el mismo comportamiento, siendo balísticos si el transporte es puramente cuántico.

- En más de una dimensión la cosa cambia. Incluso si el transporte es puramente cuántico los espines ya no son balísticos, mientras que los osciladores siempre lo son.

- Los experimentos confirman este comportamiento.

  

Esto es básicamente lo que tratamos en mi reciente artículo 

#aCienciaCerca. La segunda Revolución Cuántica

Mi actual universidad, la Universidad de Granada, ha realizado recientemente un estupendo proyecto de divulgación, #aCienciaCerca, en el que he tenido el placer de participar.  Se trata de una serie de vídeos cortos, de unos diez minutos, en los que investigadores e investigadoras de distintas ramas explicamos nuestro campo y nuestra línea investigación. Ahora mismo hay 11 vídeos y se encuentran en esta lista de reproducción de Youtube.

Los temas de los vídeos son muy diversos, incluyendo antropología, deporte en el embarazo, fertilidad,  física de la atmósfera y  muchos otros. Hoy mismo ha salido el último episodio que trata, como no, sobre física cuántica. 

Os lo dejo aquí por si os interesa. Espero que os guste. 

PS: El artículo propio del que hablo en el vídeo se encuentra disponible en arXiv, An atomic-symmetry controlled thermal switch. En breve debería ser publicado, y cuando salga os lo explicaré. 

El ridículo congreso de "cosmología cuántica" del Centro de Cultura Contemporánea de Barcelona

Me ha llegado información de un supuesto congreso que tendrá lugar en Barcelona.

El programa, como es de esperar, parece una enciclopedia del disparate. Incluye cuestiones de medicina cuántica, chorradas innovadoras como "alimentación cuántica" y cuestiones totalmente ajenas a la física cuántica como la meditación.

Como físico cuántico siempre me he posicionado en contra del uso fraudulento de mi disciplina para justificar cuestiones esotéricas. Como ejemplo podéis ver, el decálogo en contra del esoterismo cuántico, el post sobre la supuesta base de la bioneuroemoción en la física cuántica y el del timo de la medicina cuántica.

El uso de la física cuántica para justificar el esoterismo, la pseudociencia y las sectas me parece en sí un fraude. Más grave aún me parece que esta justificación se realice en espacios públicos. El "congreso" (lo siento, no puedo escribirlo sin comillas) tendrá lugar en el Centro de Cultura Contemporánea de Barcelona, que según la Wikipedia "está constituido como un consorcio formado por el Ayuntamiento de Barcelona y la Diputación de Barcelona".

Desde aquí quiero transmitirle al Ayuntamiento de Barcelona y la Diputación de Barcelona mi descontento como científico, profesor y ciudadano porque cedan un espacio público a este tipo de eventos.

¿Es el tiempo un fenómeno emergente del entrelazamiento?

Es muy común ver artículos en revistas de divulgación, blogs o medios de comunicación en general con resultados demasiado optimistas, que elevan hipótesis a hechos, que demuestran cosas impresionantes y similar. Es algo muy típico en resultados sobre dimensiones extras o multiversos (que son hipótesis), cuestiones sobre cosmología, el principio holográfico y demás. Recientemente, la óptica e información cuántica se ha subido un poco a ese carro, véase el post sobre entanglement swapping hacia el pasado, o el de entrelazamiento y causalidad. En mi opinión se están popularizando demasiado titulares del tipo: "Científicos prueban que vivimos en un holograma", o "Se transmiten un mensaje al pasado". 

Entiendo que los periodistas buscan titulares impresionantes, y algo del tipo "Científicos calculan el espectro del Helio con 17 cifras decimales", o "Científicos prueban que un caminante aleatorio cuántico es más rápido que uno clásico" impresionan bien poco y son demasiado técnicos. También entiendo que los científicos, como todos, tenemos nuestro ego, y a muchos les gusta salir en las noticias. Por otro lado hay que ser precavidos. No puede ser que haya información sensacionalista, o que directamente se comuniquen cosas que no son ciertas. Hay que especificar muy bien lo que es una hipótesis, y qué se ha demostrado exactamente en cada experimento. Si no vamos por un camino peligroso, que nos lleva a la pérdida de credibilidad. 

Por eso, hoy os quiero hablar de un reciente artículo: "Experimento cuántico muestra como el tiempo 'emerge' del entrelazamiento".

El Tiempo

Empecemos por el principio. El concepto del tiempo es algo difuso y complicado. El mayor genio que la humanidad ha tenido el placer de conocer, Isaac Newton, lo definía como un concepto absoluto, relacionado con  el movimiento de los cuerpos. Así lo escribió en su obra maestra Philosophiæ naturalis principia mathematica

Absolute, true and mathematical time, of itself, and from its own nature flows equably without regard to anything external, and by another name is called duration: relative, apparent and common time, is some sensible and external (whether accurate or unequable) measure of duration by the means of motion, which is commonly used instead of true time ...

Eso cambió con la relatividad de Einstein, según la cual el tiempo y el espacio están relacionados, siguiendo las transformaciones de Lorentz. Eso cambió la perspectiva, transformando al tiempo en otra dimensión, similar a las espaciales.

Transformaciones de Lorentz en una dimensión

Viendo el entrelazamiento cuántico

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno muy interesante. Por aquí ya hemos hablado de él desde múltiples puntos de vistas, como lo maltratado que estuvo en Cuarto Milenio, su relación con la causalidad o su rol en la orientación de los pájaros. Más recientemente estuvimos discutiendo cómo se pueden hacer experimentos sobre entrelazamiento y el reciente experimento que se ha propuesto sin loopholes (si queréis más información podéis ver la serie que estoy escribiendo en inglés en Mapping Ignorance). Sin embargo, sobre este tema no puede uno parar de escribir, porque siempre salen cosas nuevas e interesantes. 

La última que me ha llamado la atención es una propuesta para medir el entrelazamiento usando un aparato de medida bastante usual, el ojo humano. El artículo (todavía preliminar) se titula "What that it takes to see entanglement?" y es una colaboración de físicos de Suiza y Austria. La idea es sencilla, realizar un experimento de Bell cambiando los detectores de fotones por el ojo humano, y probar la violación de la desigualdad. Por supuesto, este experimento mental es una pura curiosidad, y no pretende dar información nueva. 

Lo primero que hacen en el artículo es repasar el estado del arte sobre la eficiencia del ojo humano. Aunque el ojo puede detectar fotones individuales, está claro que su eficiencia al hacerlo es muy baja. Para tener una eficiencia mayor del 50% en un estado de luz coherente (como el de un láser) necesitamos que ese estado tenga al menos 100 fotones. Según estos datos, el ojo se puede modelar bastante bien por un detector que tenga un umbral de 7 fotones precedido por un cristal con un 8% de transmisividad. Eso se ve en la siguiente gráfica, donde los círculos son resultados de experimentos y la línea roja es el modelo del detector.

Un problema de física cuántica se demuestra irresoluble

La física cuántica es complicada, de eso no cabe duda. Nos pasamos la vida desarrollando algoritmos y resoluciones analíticas para una multitud de problemas distintos. Algunos de estos problemas son muy comunes en el campo, como calcular la energía del estado fundamental de un sistema o su evolución temporal. Por este motivo muchos grupos se han especializado exclusivamente en desarrollar métodos de cálculo para estos problemas. En última instancia, estos problemas tienen un coste computacional muy elevado (exponencial) y por eso también se trabaja en el desarrollo de ordenadores cuánticos. Sin embargo, para algunos problemas parece que no será suficiente todo ese esfuerzo.

Es sabido desde hace bastante tiempo que no todos los problemas se pueden resolver. Para demostrar algo así sólo basta con encontrar un ejemplo de problema irresoluble. Así lo hizo Alan Turing, padre de la computación. El problema que propuso fue el Problema de la Parada (Halting Problem). El  problema es el siguiente: Dado un programa de ordenador cualquiera, averiguar si terminará o no terminará. La condición es que la resolución se debe hacer de manera algorítmica. Esto quiere decir que no tenemos que solucionarlo para cada posible programa uno a uno, sino que tenemos que programar un ordenador de modo que nos diga de manera autónoma si un programa terminará o no.

La demostración de que este problema es irresoluble de manera algorítmica es bastante sencilla, y la podéis encontrar en este vídeo:

Vídeo: Ordenadores Cuánticos

Pronto volverá la divulgación dura al blog. Mientras esperáis ansiosos y ansiosas podéis ver este vídeo que he encontrado sobre computación cuántica que creo que es bastante bueno. 

Un laboratorio de física cuántica para todos

La física cuántica experimental vive una época dorada. En los últimos años están realizándose experimentos que hace no mucho se consideraban imposibles. Interferencia de macromoléculas, experimentos de Bell libres de loopholes, y el control de sistemas atómicos individuales son algunos ejemplos. Estos experimentos se realizan en laboratorios punteros por todo el mundo. Durante mi etapa postdoctoral he tenido la suerte de trabajar y visitar centros donde se realizan este tipo de experimentos, y la técnica es realmente impresionante. Básicamente se componen de mesas con infinidad de componentes ópticos que modelan y controlan la luz de los láseres. Además hay cámaras de vacío, instrumentos para alcanzar temperaturas ultrafrías y aparatos de medición. Como ratón de biblioteca que soy me parece impresionante como pueden conseguir que todo funcione. 

Afortunadamente, esto ya no es privilegio de unos cuantos. Un grupo de investigación de Viena ha desarrollado un laboratorio virtual para que todo el mundo pueda echar un rato haciendo este tipo de experimentos. El director del proyecto es Markus Ardnt, del que ya hemos hablado por aquí debido a sus experimentos de interferencia de macromoléculas. No es de extrañar entonces que este sea uno de los experimentos que se pueden hacer. 

He estado trasteándolo un poco y he de decir que es realmente una pasada. Realmente te lleva al laboratorio, y puedes hacer tareas tan mundanas como limpiarlo, y tan poco mundanas como correr los experimentos. Los gráficos son realmente impresionantes, es muy sencillo a nivel de usuario y tiene un tutorial para que vayas aprendiendo.

El experimento sobre entrelazamiento libre de "loopholes"

Recientemente, se ha hablado mucho sobre un nuevo experimento sobre el entrelazamiento (por ejemplo podéis leer este post de Francis). Experimentos sobre entrelazamiento hay muchos así que creo que merece la pena que dediquemos un rato a discutir por que este ha captado tanta atención. 

Sobre la supuesta base de la bioneuroemoción en la física cuántica

En los últimos años ha aparecido una nueva pseudociencia denominada "bioneuroemoción" (anteriormente "biodescodificación"), que suele utilizar conceptos de física cuántica para justificar su supuesta eficacia. Es complicado el análisis de la supuesta terapia, ya que como suele ocurrir con estas pseudociencias la información se encuentra bastante oculta y cambia continuamente. Sin embargo, basta con ver los discursos de sus defensores, como Enric Corbera, o leer en su web la serie de "expertos" que la apoyan para apreciar la carencia de base de esta pseudociencia [1].

Es muy común en los últimos años el utilizar conceptos de la física cuántica para vender pseudociencias y medicinas alternativas sin base científica. Esto se realiza mediante la distorsión de la ciencia para adaptarla al producto a vender, y aprovechando el desconocimiento de la población sobre este campo de la ciencia. Como físico cuántico, con casi 10 años de experiencia en el campo, me preocupa este fraudulento uso de mi disciplina.

Por estos motivos declaro lo siguiente:

Decoherencia debido a la gravedad

La decoherencia es el proceso por el que un sistema pierde sus propiedades cuánticas al interaccionar con el entorno. Sobre esos ya hablamos en esta entrada: ¿Qué es la decoherencia cuántica? Este proceso, junto al pequeño valor de la constante de Planck, es el principal responsable de privarnos de los interesantes fenómenos cuánticos en el mundo macroscópico en el que vivimos. 

La idea es sencilla. Un sistema cuántico interacciona con otro y se forma entrelazamiento entre ellos. Este entrelazamiento lleva consigo información sobre el estado del primer sistema, y eso hace elimina cualquier superposición que pudiera tener. 

Sin embargo, parece que un sistema externo no es necesario, y eso es lo que han demostrado en un reciente artículo unos amigos de Viena. El artículo en cuestión se titula Universal decoherence due to gravitational time delation. La idea detrás del mismo tampoco es complicada. Imaginemos una molécula de un tamaño considerable. Esta tiene distintos grados de libertad, tanto intrínsecos como extrínsecos. Más concretamente, la posición del centro de masas de la molécula es un grado de libertad extrínseco. Las vibraciones de las distintas partes de la molécula dependen de la temperatura de la misma, y forman los grados intrínsecos. En principio, parece obvio que estos grados de libertad son independientes, de modo que las vibraciones en la molécula no dependen de su posición.

Sin embargo, esta independencia de los grados de libertad no es cierta si la molécula se encuentra en un campo gravitatorio. En ese caso, distintas partes de la molécula sufren distintas gravedades. ¿Cómo puede afectar esto a la molécula? Mediante la dilatación temporal. 

Vídeo sobre física cuántica y fotosíntesis

He encontrado gracias a las sugerencias de Youtube este vídeo sobre efectos cuánticos en la fotosíntesis, que está bastante bien. Está en inglés, pero no es demasiado complicado y se le pueden activar subtítulos. 

Os recuerdo los posts que escribí ya sobre este tema.

Física Cuántica y Fotosíntesis I. Primeros experimentos

Física Cuántica y Fotosíntesis II. Transporte asistido por decoherencia

Física cuántica y Fotosíntesis III. Transporte cuántico VS transporte semi-cuántico

Física cuántica y Fotosíntesis IV: La importancia de ser coherente

Incertidumbre cuántica o intrínseca

Anteriormente ya hemos hablado de la incertidumbre en la física clásica, y la hemos relacionado con la falta de conocimiento. En resumen, si lanzamos un dado, no podemos predecir su resultado (o seríamos ricos), pero eso no quiere decir que el resultado esté en sí indeterminado. Simplemente carecemos de conocimiento sobre las condiciones iniciales (como se lanza, cual es su estructura exacta, a qué distancia está de la mesa...) y no tenemos capacidad de cálculo suficiente. ¿Significa eso que no existe la incertidumbre? ¿Puede realmente el Demonio de Laplace predecirlo todo? Es bien sabido que no, y que la física clásica se diferencia de la cuántica precisamente en este punto. 

La física cuántica es una teoría (o conjunto de teorías, según nos pongamos más finos) probabilística. Se diferencia de otras ramas, como la física estadística, en que esa probabilidad no es producto de nuestra ignorancia, sino que es intrínseca a los sistemas. Pongamos un ejemplo sencillo. Podemos lanzar un fotón, una partícula de luz, hacia un cristal semirreflectante (beamsplitter en inglés). Entonces el fotón pasará a recorrer dos caminos simultáneos. Si ponemos detectores al final de cada camino [1] detectaremos el fotón en cada uno de ellos un 50% de las veces. 

Experimento con un solo fotón [2]