Un estudio sienta las bases de la tomografía aplicada al mundo cuántico

Científicos de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) han probado la validez de la representación tomografía de estados cuánticos, lo que puede ayudar a trabajar con tecnologías cuánticas para transmitir información de manera más eficiente y segura.

Cualquier sistema físico - sea un electrón, una molécula de agua, un virus, un ser humano, un planeta entero - está caracterizado en cada instante de manera distintiva y específica, en un lugar determinado y con unas características particulares. Esto es lo que llamamos el “estado del sistema”, pero cuando se intenta describir dicho “estado” de manera precisa de acuerdo con nuestro conocimiento actual de las leyes que rigen el universo es necesario recurrir a formulaciones abstractas, ya que las leyes de la física cuántica, la teoría física que mejor describe el universo en el que existimos, son muy diferentes a las que rigen la física clásica de Newton. Durante el último siglo diversos científicos han obtenido diversas representaciones que ayudan a entender el mundo de la mecánica cuántica, que impera en el entorno de lo más pequeño, de lo subatómico. Ahora investigadores de la UC3M que trabajan en la descripción tomográfica de los estados cuánticos han probado que ésta es equivalente a las descripciones clásicas realizadas por grandes científicos del siglo XX, al contener la misma información y ser igual de rica que éstas.

“Estamos intentando deslindar los aspectos conceptuales de la representación tomográfica de estados cuánticos y prácticamente acabamos de probar que la representación tomográfica de los estados cuánticos es completa, esto es, que es tan buena como las representaciones tradicionales debidas a Schrodinger, Heisenberg, Dirac, etc.”, asegura el catedrático de la UC3M, Alberto Ibort. Él lleva investigando esta materia desde hace unos años y ha publicado recientemente un resumen de sus hallazgos sobre la tomografía de estados cuánticos en un artículo en la revista Physics Letters A, en colaboración con científicos del Instituto de Física Lebedev (Rusia) y de la Universidad de Nápoles Federico II (Italia).

El mundo cuántico al detalle

Lo que tratan de hacer estos investigadores es diseccionar los estados cuánticos para describir su naturaleza real de una forma parecida, aunque más sofisticada, a cómo funcionan algunas máquinas de diagnóstico de los hospitales. “Una imagen tomográfica de un estado cuántico describe el estado cuántico completamente, al igual que una imagen tomográfica ordinaria nos permite visualizar un organismo o un cuerpo con todos sus detalles”, explica el profesor Ibort, del Departamento de Matemáticas de la UC3M. De esta forma, una representación tomográfica de un estado cuántico es una función matemática que se obtiene al realizar ciertas manipulaciones del sistema físico que se pretenda analizar, de la misma manera que la tomografía computerizada empleada en los hospitales obtiene una función de la densidad de los tejidos humanos en cualquier dirección para poder reconstruir después una imagen 3D de nuestro cuerpo.

La utilización de técnicas tomográficas puede tener enormes implicaciones en las tecnologías de la comunicación, según los investigadores. “Si la tomografía cuántica se desarrolla como la tomografía médica, podríamos utilizar métodos derivados de ella para mejorar la transmisión de información por canales cuánticos”, comenta Alberto Ibort. Y es que una de las principales aplicaciones de las tecnologías cuánticas es la manipulación y transmisión de la información utilizando las propiedades cuánticas de la luz. En este sentido, la tomografía cuántica permite manipular la luz a nivel cuántico de manera diferente y más versátil. Por ejemplo, podría pensarse en “comprimir” información cuántica (qbits) utilizando una representación tomográfica de ella, según los expertos.

El campo de la Información Cuántica es una de las áreas de desarrollo mas prometedoras dentro de la Física y adquiere su mayor relevancia en la criptografía cuántica y la computación cuántica. Estas tecnologías prometen, por ejemplo, comunicaciones absolutamente seguras y una capacidad computacional inmensa, de forma que están llamadas a revolucionar nuestras vidas de manera comparable a como lo hicieron en su momento el láser o el ordenador personal.

Estos investigadores de la UC3M lideran una de las líneas de investigación del proyecto QUITEMAD (QUantum Information Technologies MADrid), un consorcio científico que reúne a expertos en Información Cuántica de la Universidad Complutense de Madrid, la Universidad Politécnica de Madrid y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, con el apoyo de diversas empresas nacionales e internacionales y la financiación de la Comunidad de Madrid y el Fondo Social Europeo. ”Estamos trabajando en colaboración con otros miembros de QUITEMAD en el desarrollo de técnicas provenientes del mundo de las telecomunicaciones para su uso en tomografía cuántica y en particular nos gustaría desarrollar un análogo de las técnicas de muestreo ("sampling") tan útiles en el dominio de las telecomunicaciones para el análisis de cierta clase de estados cuánticos”, revela el profesor Ibort.

QUITEMAD tiene cinco objetivos científicos concretos: criptografía cuántica, computación cuántica, control cuántico y tomografía, correlaciones cuánticas y simulación cuántica. Estas cinco líneas de investigación tienen aplicaciones científicas y tecnológicas relevantes, que van desde la implementación de criptografía cuántica para el sector industrial hasta el desarrollo y la puesta en funcionamiento de nuevas técnicas de computación e información cuánticas, incluyendo su realización experimental en colaboración con laboratorios nacionales e internacionales. Además de los objetivos científicos, el proyecto contempla objetivos estratégicos como formar en las tecnologías de la información cuántica a nuevos equipos que puedan abordar con éxito los retos futuros de universidades y empresas, con la finalidad de dotar a Madrid de un estatus de excelencia y vanguardia en el ámbito europeo y mundial.

Rayos Gamma Provienen de Lejanías de Hoyos Negros

Conforme la materia del disco "cae" hacia el agujero una parte de su energía se proyecta hacia el universo en forma de chorro de partículas.

Los "chorros" de partículas emitidos desde las galaxias blazars, con un agujero negro supermasivo en su centro, se crean más lejos de lo que se pensaba, según revela un trabajo publicado en el último número de la revista Nature.  El trabajo afirma que la mayor parte de la luz de chorro -los rayos gamma, la fuente de luz más energética del universo-, así como la luz óptica, se crean en el mismo lugar, lo que ha permitido a los investigadores determinar dónde se generan los rayos gamma.  La investigación que publica la revista también aporta datos para comprender mejor cómo la energía escapa de un agujero negro.  En este trabajo, liderado por el Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology de Estados Unidos, participaron investigadores españoles del Instituto de Ciencias del Espacio y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas en Barcelona.  En él se incluyen datos de más de 20 telescopios, entre ellos el telescopio Kanata en Japón, los del Roque de los Muchachos y Calar Alto (CSIC- Max Planck) en España, y el telescopio espacial Fermi. Los blazars son galaxias que tienen en su centro un agujero negro supermasivo, alrededor del cual se genera un disco de acreción, así llamado porque rodea a un objeto central masivo y lo alimenta, siendo atraído por éste y contribuyendo a su aumento de masa.  Conforme la materia del disco "cae" hacia el agujero negro, alimentándolo, una parte de su energía se proyecta hacia el universo en forma de chorro de partículas.  A pesar de su importancia, ya que son los mayores aceleradores de partículas del universo, estos chorros son relativamente desconocidos y se sabe muy poco sobre su estructura y sobre cómo y dónde se producen.

El Láser Puede Recrear Agujeros Negros

La posibilidad de concebir lo que sucede en los agujeros negros va permitir estudiar estos fenómenos astronómicos

La tecnología láser puede ser utilizada para recrear en las reducidas dimensiones de un laboratorio los cambios que experimenta la materia cuando se produce un agujero negro, según un estudio publicado por la revista Nature.  El trabajo llevado a cabo por el profesor del Instituto de Ingeniería Láser de la Universidad de Osaka (Japón) Shinsuke Fujioka, probó que el uso de un láser de 300 gigavatios para causar la implosión de una delgada lámina de silicio puede devenir en plasma fotoionizado.  Este tipo de plasma, mucho más difícil de producir que el convencional, da lugar a un espectro de rayos X que puede ser detectado por algunos satélites que orbitan alrededor de la Tierra.  Los plasmas en su mayoría, incluso aquellos que ocurren en el Sol, son gases ionizados cuyo átomos han perdido o ganado electrones debido a cargas eléctricas, en el caso de las estrellas calientes por las altas temperaturas.  La ionización de los plasmas en las cercanías de un agujero negro, sin embargo, se lleva a cabo por la acción del inmenso flujo de fotones generados por la materia que es absorbida por el agujero negro.  Los autores del estudio descubrieron que la forma del espectro de rayos X que se da en el plasma fotoionizado es muy parecida a la forma que tienen los rayos que emanan de las estrellas binarias Cygnos X-3, candidato a ser un agujero negro, y Vela X-1, una estrella de neutrones, según las mediciones realizadas por el satélite Chandra.  La capacidad de recrear las condiciones que se producen en las inmediaciones de un agujero negro hace mucho más sencillo estudiar estos procesos y otros que ocurren en los llamados "objetos astrofísicos masivos", además de mejorar la interpretación sobre las astronómicas medidas de estos objetos.

SATELITE MUESTRA COMO SE ENCIENDEN LOS HOYOS NEGROS

El Swift de la NASA recopiló datos que explicarán el comprtamiento de apenas 1% de los agujeros supermasivos.

Científicos de la agencia espacial estadounidense (NASA) empiezan a comprender porqué de una pequeña parte de un agujero negro se puede emitir grandes cantidades de energía.  El satélite Swift recopiló datos que explicarán el comprtamiento de apenas 1% de los agujeros negros supermasivos, informó la agencia espacial.  Los nuevos hallazgos confirman que los agujeros negros se "encienden" cuando las galaxias colisionan, y los datos pueden ofrecer una perspectiva sobre el comportamiento futuro de estos agujeros en nuestra galaxia, la Vía Láctea, señaló la NASA.  Las intensas emisiones desde el núcleo de las galaxias, cercanas a un agujero negro supermasivo, contiene entre un millón y mil millones de veces la masa del Sol. Algunos de estos núcleos galácticos activos (AGN) son los objetos más luminosos del Universo.  "Se ha logrado demostrar que la 'violencia' en las fusiones de las galaxias pueden alimentar los núcleos de los hoyos negros", dijo Michael Koss, líder de la investigación.  Estos datos servirán para saber cómo "se encienden los agujeros negros", dijo Koss.  Los resultados que completarán el estudio aparecerá en la edición del 20 de junio de The Astrophysical Journal Letters, informó la NASA.

JUPITER CON "CICATRIZ" DEL TAMAÑO DEL OCEANO PACIFICO

El telescopio Hubble confirmó el impacto en el planeta


Hace casi un año la superficie de Júpiter recibió el impacto de un objeto que dejó sobre su superficie una cicatriz del tamaño del océano Pacífico, reveló un estudio publicado por la revista The Astrophysical Journal Letters.  La marca fue detectada por un astrónomo aficionado australiano en julio de 2009 y su existencia fue confirmada por otros observatorios y después por el telescopio espacial Hubble.  El golpe sufrido por la superficie de Júpiter, el mayor planeta del sistema solar, fue igual a la explosión de varios miles de bombas atómicas de tamaño medio, indicó un comunicado difundido por la NASA en su sitio de internet.   Según los astrónomos, aparentemente el impacto fue causado por un asteroide de unos 500 metros de diámetro y las imágenes transmitidas por el Hubble son las primeras que muestran de manera directa sus consecuencias sobre la superficie de un planeta.   Pero no se trata de un acontecimiento astronómico desusado, pues desde el comienzo de la astronomía se había observado que el planeta sufría el impacto de objetos cósmicos.
 
Además, en 1995 los científicos detectaron la caída de más de 20 trozos del cometa P/Shoemaker-Levy 9 (SL9) sobre la superficie de Júpiter.  En un comunicado, la NASA indicó que el último impacto y la marca de otros sobre la superficie revelan que Júpiter es un sitio agitado en el cual pueden producirse hechos imprevistos.  "Este solitario suceso nos tomó por sorpresa y solo podemos ver lo que ocurrió después del impacto", señaló Heidi Hammel, del Instituto de Ciencias Espaciales que encabezó el estudio sobre el impacto.  "Afortunadamente, tenemos las observaciones del Hubble hechas en 1994" lo cual ha permitido realizar comparaciones, añadió.  Esos análisis pusieron de manifiesto que el halo de la colisión desapareció rápidamente lo que, según los científicos, constituye una prueba de que se trató de un asteroide sólido y no de un cometa.  Además, la forma alargada del sitio de impacto demuestra que el asteroide cayó de manera oblicua.  Según la NASA, un análisis de las posibles órbitas del asteroide realizado por científicos encabezados por Agustín Sanchez-Lavéga, de la Universidad del País Vasco (España) , indicó que probablemente el objeto cósmico provino de la llamada familia Hilda, un cinturón de asteroides cercano a Júpiter.

JAPONESES USARAN A LA LUNA COMO CELDA SOLAR

Con ayuda de robots se colocaría el cinturón de celdas solares y los dispositivos que enviarían la energía a través de antenas de microondas y láser hasta receptores en la Tierra, que podrían operar las 24 horas al dia.  No sólo Bill Gates se preocupa por invertir en proyectos que contrarresten el cambio climático al intentar controlar la temperatura.


Una empresa de construcción japonesa propuso utilizar a la Luna para generar energía limpia e incluso producir oxígeno y agua.   Shimizu Co. presentó el "Anillo lunar", con el que propone colocar celdas solares en todo el ecuador del satélite de la Tierra, que captarán la energía en una cara de la Luna.  Este energía se convertiría en electricidad para transmitirse al lado visible de la Tierra.   Con ayuda de robots, se colocaría el cinturón de celdas solares y los dispositivos, los cuales enviarían la energía a través de antenas de microondas y láser hasta receptores en la Tierra, que podrían operar las 24 horas al día.  La promoción del uso de energías alternativas, en lugar de los combustibles fósiles (carbón, gas y petróleo), es uno de los pilares de la acción contra el cambio climático.  La expansión de los parques eólicos, incluso en la superficie marina, se conjugan con proyectos que, con la inversión necesaria y el desarrollo tecnológico, se podrían lograr.  Los ingenieros de Shimzu dicen que "el anillo lunar inicialmente tendría un ancho de unos pocos kilómetros, pero podría extenderse hasta 400", publicó el portal del diario español ABC.

"Si bien los argumentos expuestos por esta corporación son absolutamente válidos, y la ausencia de atmósfera en nuestro satélite lo convierte en el sitio ideal para aprovechar al 100% la eficiencia de los paneles solares, su realización práctica es -hoy por hoy- imposible.
"De hecho, si la NASA intentase llevar a la Luna paneles para cubrir solamente un kilómetro cuadrado, agotaría su presupuesto durante varios años", aseguró el diario

LA DOCENCIA, LA BUENA DOCENCIA,HAY QUE PREMIARLA(PREMIO SPORE)

La docencia, la buena docencia, hay que premiarla. El buen docente, si es realmente bueno, puede publicar su labor hasta en Science y Nature. Pero ha de ser bueno. Realmente bueno. Un ejemplo, el premio SPORE (Science Prize for Online Resources in Education), premio de la revista Science al desarrollo de materiales educativos online. Este año han sido premiados unos docentes de geofísica por su labor en el desarrollo de unos workshops (desde 2002) llamados “On the Cutting Edge” (“en la cresta de la ola”) dirigidos a profesores y titulados en ciencias geofísicas (han pasado por ellos más de 1400 docentes de 450 departamentos de geofísica). Los ganadores acaban publicar un artículo en la propia Science contando su experiencia: Cathryn A. Manduca et al., “On the Cutting Edge: Teaching Help for Geoscience Faculty,” Science 327: 1095-1096, 26 February 2010. Mejor premio, imposible.


Para mí, lo más interesante de lo que cuentan es algo muy importante, algo que no hay que olvidar. La docencia no es una labor individual. El docente contra el resto del mundo es cosa del pasado. Las nuevas tecnologías en docencia, las nuevas metodologías, las nuevas experiencias docentes requieren un equipo de docentes. El docente es un profesional de la docencia. Ya no vale el “cada maestro con su librillo.” El docente debe colaborar con otros docentes, no sólo de su departamento, sino también de otras instituciones, debe crear redes sociales, ahora muy de moda con la Internet 2.0, en las compartir materiales docentes. Como dicen los autores en inglés “a self-sustaining community of sharing” (una comunidad autosostenida de docentes que comparta materiales).

Los lectores habituales de este blog ya sabéis que me encantan los vídeos que muestran experimentos en física de fluidos. Los dos vídeos que ilustran esta entrada son resultado del proyecto “On the Cutting Edge.” En su web, los interesados, podréis encontrar, entre otros materiales, más vídeos que serán de gran utilidad no sólo para profesores de geociencias, sino también para profesores de física e ingeniería en su sentido más amplio.

HACIA UN SEGUNDO MAS PRECISO EN LOS RELOJES ATOMICOS;SUPERANDO EL LIMITE CUANTICO DE LA INTERFEROMETRIA DE RAMSEY.

Se define un segundo como la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación asociada a la transición hiperfina del estado fundamental del isótopo 133 del átomo de cesio. El estado del arte en relojes atómicos se basa en la interferometría de campos oscilantes separados desarrollada por Norman F. Ramsey en 1949 (Premio Nobel de Física 1989). La precisión de la interferometría de Ramsey está limitada por la estadística clásica debido a que el número de átomos utilizados es finito. Gross et al. Demuestran en Nature que se puede superar el límite de Ramsey mediante interferometría atómica no lineal utilizando un condensado de Bose-Einstein. Grosso modo, la técnica en lugar de medir la transición hiperfina en un átomo de cesio, utiliza un estado entrelazado de muchos átomos (170 átomos del isótopo 87 del rubidio) y mide la transición hiperfina en este “macroátomo” (el estado condensado de Bose-Einstein se describe con una única función de onda y se comporta como un “átomo” macroscópico). Utilizando su técnica de interferometría no lineal han obtenido una medida un 61% más precisa que el límite (cuántico) teórico. El artículo técnico es C. Gross, T. Zibold, E. Nicklas, J. Estève, M. K. Oberthaler, “Nonlinear atom interferometer surpasses classical precision limit,” Nature, advance online publication 31 March 2010.


Estos avances parecen muy alejados de la realidad cotidiana. Uno se imagina un reloj atómico como una máquina enorme, de dos metros de alto, caro de construir y con un alto consumo de energía. Sin embargo, desde 2004 se fabrican relojes atómicos del tamaño de un chip, los llamados chips atómicos. Estos chips tienen gran número de aplicaciones en dispositivos portátiles de precisión atómica para comunicaciones inalámbricas seguras, navegación GPS precisa y otras aplicaciones, aunque todavía son caros. Riedel et al. Publican también en Nature la aplicación de estados comprimidos de espín (spin-squeezed states) en condensados de Bose-Einstein de dos componentes para superar el límite de Ramsey en chips atómicos, así como su aplicación al desarrollo de relojes atómicos (esto último aún en desarrollo). Utilizando una técnica diferente, pero relacionada, logran utilizar técnicas interferométricas para medir las transiciones hiperfinas en estados entrelazados de 4 ± 1 átomos. El incremento en precisión más allá del límite cuántico no es tan espectacular como en el trabajo anterior, pero el hecho de que lo logren en chips atómicos merece toda nuestra atención. El artículo técnico es Max F. Riedel, Pascal Böhi, Yun Li, Theodor W. Hänsch, Alice Sinatra, Philipp Treutlein, “Atom-chip-based generation of entanglement for quantum metrology,” Nature, advance online publication 31 March 2010.



Representación en la esfera de Bloch de la evolución del estado interno del BEC (arriba), control de la no linealidad (χ) en el chip atómico en función de la densidad de solape normalizada entre los dos BEC (abajo, izquierda) y secuencia PS (21 abril 2010): Ya han aparecido en papel estos artículos técnicos, acompañados de un comentario de Charles A. Sackett, “Quantum measurement: A condensate’s main squeeze,” News and Views, Nature 464: 1133-1134, 22 April 2010, quien nos recuerda que el entrelazamiento permite que la incertidumbre cuántica de una variable se reduzca a costa del incremento de la de otra. Buena manera de describir el secreto de estos trabajos técnicos.