Lo que el café con nata puede enseñarnos sobre física cuántica
Si añades un chorrito de crema a tu café matutino, nubes de líquido blanco se arremolinarán alrededor de tu taza. Pero al cabo de unos segundos, esos remolinos desaparecerán y quedará una taza normal de líquido marrón.
Algo parecido ocurre con los chips de los ordenadores cuánticos -dispositivos que aprovechan las extrañas propiedades del universo en sus escalas más pequeñas-, donde la información puede mezclarse rápidamente, limitando la capacidad de memoria de estas herramientas.
Rahul Nandkishore, profesor asociado de Física de la Universidad de Colorado en Boulder, afirma que esto no tiene por qué ser así.
En un nuevo logro de la física teórica, Nandkishore y sus colegas han demostrado matemáticamente que los científicos pueden crear un escenario en el que la leche y el café nunca se mezclen, por mucho que se remuevan.
Los hallazgos del grupo podrían conducir a nuevos avances en los chips de ordenadores cuánticos, proporcionando potencialmente a los ingenieros nuevas formas de almacenar información en objetos increíblemente diminutos.
"Piense en los remolinos iniciales que aparecen cuando añade nata a su café matutino", explica Nandkishore, autor principal del nuevo estudio. "Imagina que estos patrones siguieran arremolinándose y bailando sin importar cuánto tiempo los observes".
Los investigadores aún tienen que realizar experimentos en el laboratorio para asegurarse de que estos remolinos interminables son realmente posibles. Pero los resultados del grupo son un gran paso adelante para los físicos que buscan crear materiales que permanezcan fuera de equilibrio durante largos periodos de tiempo, lo que se conoce como "ruptura de ergodicidad".
Los hallazgos del equipo aparecen esta semana en el último número de "Physical Review Letters".
Memoria cuántica
El estudio, en el que participan como coautores David Stephen y Oliver Hart, investigadores postdoctorales en física de la CU Boulder, gira en torno a un problema habitual en la informática cuántica.
Los ordenadores normales funcionan con "bits", que adoptan la forma de ceros o unos. Nandkishore explicó que los ordenadores cuánticos, en cambio, emplean "qubits", que pueden existir como cero, uno o, por la extrañeza de la física cuántica, cero y uno al mismo tiempo. Los ingenieros han creado qubits a partir de una amplia gama de cosas, como átomos individuales atrapados por láseres o diminutos dispositivos llamados superconductores.
Pero, al igual que esa taza de café, los qubits pueden mezclarse fácilmente. Si, por ejemplo, volteas todos tus qubits a uno, acabarán volteándose de un lado a otro hasta que todo el chip se convierta en un caos desorganizado.
En la nueva investigación, Nandkishore y sus colegas pueden haber encontrado una forma de evitar esa tendencia a la mezcla. El grupo calculó que si los científicos organizan los qubits en patrones particulares, estos ensamblajes conservarán su información, incluso si se les perturba utilizando un campo magnético o una alteración similar. Según el físico, esto podría permitir a los ingenieros construir dispositivos con una especie de memoria cuántica.
"Podría ser una forma de almacenar información", afirma. "Se escribiría información en estos patrones, y la información no podría degradarse".
Aprovechar la geometría
En el estudio, los investigadores utilizaron herramientas de modelización matemática para imaginar una matriz de cientos o miles de qubits dispuestos en forma de tablero de ajedrez.
Descubrieron que el truco consistía en colocar los qubits en un espacio reducido. Si los qubits se acercan lo suficiente, explica Nadkishore, pueden influir en el comportamiento de sus vecinos, casi como una multitud de personas tratando de apretujarse en una cabina telefónica. Algunas de esas personas pueden estar de pie o de cabeza, pero no pueden girarse hacia el otro lado sin empujar a los demás.
Los investigadores calcularon que si organizaban estos patrones de la forma correcta, podrían fluir alrededor de un chip de ordenador cuántico y no degradarse nunca, como esas nubes de nata que se arremolinan eternamente en el café.
"Lo maravilloso de este estudio es que hemos descubierto que podemos entender este fenómeno fundamental a través de una geometría casi simple", afirma Nandkishore.
Los hallazgos del equipo podrían influir en mucho más que los ordenadores cuánticos.
Nandkishore explicó que casi todo en el universo, desde las tazas de café hasta los vastos océanos, tiende a moverse hacia lo que los científicos llaman "equilibrio térmico". Si dejamos caer un cubito de hielo en la taza, por ejemplo, el calor del café derretirá el hielo y acabará formando un líquido con una temperatura uniforme.
Sus nuevos hallazgos, sin embargo, se unen a un creciente cuerpo de investigación que sugiere que algunas pequeñas organizaciones de materia pueden resistirse a ese equilibrio, aparentemente rompiendo algunas de las leyes más inmutables del universo.
"No vamos a tener que rehacer nuestras matemáticas para el hielo y el agua", afirma Nandkishore. "El campo de las matemáticas que llamamos física estadística es increíblemente eficaz para describir cosas de la vida cotidiana. Pero hay escenarios en los que quizá no sea aplicable".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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