• José Antonio Ces

El de la mecánica cuántica




El otro fin de semana, mientras ejercía de chofer para la prole, escuché en la radio un programa donde invitaban a un “entendido” a hablar de la computación cuántica. Entender cómo funciona este tipo de computación es difícil, pero mucho más difícil es comprender como alguien puede tener el cuajo de intervenir en las ondas sin tener la más mínima idea del asunto. Con un par. Más allá de la vergüenza ajena que me pudo causar el episodio, me sentí con ganas de explicar en grandes líneas qué es esto de la computación cuántica y cuán grande será el beneficio que proporcionará a nuestra sociedad. Por aquello de compensar la falta comentada por el anónimo locutor radiofónico.


Para hablar de computación cuántica es necesario saber qué es la mecánica cuántica y, antes, saber qué es la mecánica. Siempre en el contexto de la física, ojo. Que veo que estás pensando en la última vez que tuviste que llevar el coche al taller. Empezaré por esos fundamentos básicos de la mecánica, clásica primero y cuántica después, para abordar al final cómo funciona la computación cuántica y porqué no va a cubrir más que algunas situaciones muy concretas. O no. Ya veremos porque hay mucho por trabajar todavía. Empecemos.


La mecánica es una parte de la física que estudia el movimiento de los objetos bajo la acción de las fuerzas que lo producen. Seguro que recuerdas de tus clases de física del cole algún problema donde un cañón con determinado ángulo de inclinación disparaba un proyectil con una determinada fuerza y te pedían calcular la distancia que alcanzaría sabiendo que el aire ejercería cierta resistencia. ¿Recuerdas alguno? Bien. Pues aquellos problemas eran de mecánica. Y tú sin saberlo. El rey de la mecánica es Newton. Mejor dicho, Sir Isaac Newton. Sí. El de la manzana. Un físico, teólogo, inventor, alquimista y matemático inglés que vivió entre 1643 y 1727. Newton escribió uno de los libros más importantes de la física: los “Philosophiæ naturalis principia mathematica”. En él describe la ley de gravitación universal y tres leyes (las tres Leyes de Newton… ¿quién lo diría?) que establecieron las bases de la mecánica clásica. No voy a entrar en ello en detalle, pero tienes que saber que esas cuatro leyes rigen el movimiento universal, no sólo de los objetos terrenales (la bala y el cañón), sino también de los planetas alrededor del Sol y del resto de los cuerpos celestes como los satélites que orbitan los planetas y demás elementos que pueblan el cosmos. Unos principios que explican los movimientos que vemos, tal y como los vemos. Algo muy intuitivo.


Hago aquí un paréntesis para explicarte con un ejemplo planetario, ya que estamos, lo que descubrió Newton. Mercurio es el planeta que más cerca está del Sol y tiene una curiosidad que seguramente no conocías: uno de sus lados es más denso que el otro. Como dice Manuel Lozano Leyva en su libro “El cosmos en la palma de la mano” (de donde he recogido estos datos) si Mercurio fuese un dado, estaría trucado. El motivo tiene que ver con la ley de gravitación universal que explicó Newton. Y es que, según esta ley, la fuerza de atracción entre dos cuerpos depende de la distancia que los separa: cuanto más disten entre sí dos cuerpos que se atraen gravitatoriamente, más débil es la fuerza que sienten y al revés. Dos cuerpos planetarios mostrarán mayor atracción en aquellas partes que están enfrentadas. Pues bien. En sus orígenes Mercurio estaba en un estado pastoso, porque el enorme calor procedente del Sol fundía la mayor parte de sus rocas, muchas de las cuáles eran de hierro y de níquel. Como el planeta tenía (y tiene) una velocidad de rotación muy lenta (un día en Mercurio es equivalente a 59 días terrestres) al ir solidificando con el tiempo esta marea de rocas, fue quedando más densa la parte más cercana al Sol. Curioso. Que sepas (si no lo sabías ya) que esta fuerza de atracción gravitatoria es también causante de las mareas en la Tierra. La culpable es la Luna.


Espero que este paréntesis haya servido para darte un contexto del tipo de fuerzas que explicó Newton. Un crack. Hasta aquí todo iba a pedir de boca, porque las cosas se empezaban a explicar según lo que nuestro ojo ve (o intuye). Y esa lógica aplicable detrás de la visión lo hace todo más sencillo. La fe es más jodida, ¿verdad? En cualquier caso, las leyes de la mecánica clásica expuestas por Newton eran todo un descubrimiento e iban permitiendo cubrir muchas de las lagunas científicas de la época. Pero siempre hay algún cenizo que viene a joder el paisaje. Y hete aquí que, en este nirvana científico que habíamos alcanzado gracias a Sir Isaac, alguien se da cuenta de que hay una parte de la naturaleza que no respeta las leyes de Newton. ¿Cuál dices que es esa parte de la naturaleza que no respeta las leyes? ¿Catalunya? Jajaja… eres un cachondo.


Por esas fechas empezaba a modelarse el átomo. Se especulaba mucho sobre cómo sería el átomo (ya que verse no podía verse), y muchos científicos de la época iban haciendo acercamientos a su forma y composición con muchos y variados experimentos, a cada cuál más imaginativo. En el primer capítulo de mi libro (que comparte blog con nosotros) te cuento en detalle alguno de ellos y la evolución que fue sufriendo ese modelo inicial, pero ahora mismo me vale con que recuerdes el que te enseñaron en clase de física cuando eras pequeño, y que seguro que te está viniendo ahora a la memoria. El de los protones, los neutrones y los electrones. Un núcleo formado de protones y neutrones con carga positiva, y unos electrones dando vueltas. El modelo del bueno de Rutherford.



En el gráfico anterior hay dos dibujos. Por un lado, un átomo de Hidrógeno según ese modelo de nuestra EGB, y por otro la Tierra y su satélite, la Luna. Se parecen, ¿verdad? …pues eso pensaron todos en su momento. Que eran muy parecidos.


Además, se daba la circunstancia de que las respectivas leyes de Newton y de Coulomb eran tremendamente análogas. Newton dedujo que la fuerza con que se atraen dos cuerpos era proporcional al producto de sus masas dividido por la distancia entre ellos al cuadrado. Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Comprueba tú mismo la similitud de las fórmulas respectivas.



Pues vaya. Leyes similares que explican mundos que también son similares a la vista. Y todo alineado con las leyes de la mecánica que había formulado Newton. Teníamos una explicación para todo lo que había en el Universo. Para lo grande y para lo pequeño… ¡Champán!


¿O no?


¡Llévense esa botella!


Pero... ¿por qué?


Porque no era cierto. No había una teoría única. Para los profanos sí, pero los científicos sabían que había algunas cosas que no terminaban de encajar en esta analogía. Las cosas estaban algo forzadas.


La física clásica era incapaz de explicar, por ejemplo, por qué los electrones se mantenían siempre a una distancia determinada del núcleo sin estrellarse contra él, pese al hecho de que el movimiento debería provocarles una pérdida constante de energía y, por lo tanto, de velocidad. Si aplicamos la lógica de la mecánica clásica, la materia se desintegraría al chocar los electrones con su núcleo. Sería inestable. Y esto no es así. Aquí seguimos ambos: tú leyendo y yo escribiendo, sentado en una silla que no se desintegra. Bohr solventó algunas de estas cuitas, pero aparecieron otras nuevas, y pronto el mundo se fue dando cuenta de que había un conjunto de leyes físicas que regían el “macro” y otras muy diferentes regulando el “micro”. Ese segundo grupo, arranca con un principio que establece que los electrones no habitan cualquier zona de manera indiscriminada sino capas que se separan entre sí por lo que se denominó “cuantos” de energía. Y aquí empieza a darnos vueltas la cabeza, porque es difícil imaginar por qué algo como un electrón no tiene capacidad de posicionarse en cualquier punto, y debe circunscribir su ubicación a unas posiciones muy concretas. Y empezó a hablarse de una nueva mecánica: la mecánica cuántica.


La mecánica cuántica es una ciencia que sirve para explicar el comportamiento de las partículas subatómicas, donde el mundo de Newton y su manzana no tienen cabida. Esta parte de la física introduce una serie de hechos contraintuitivos que no aparecían en los paradigmas físicos anteriores. Y es que el mundo atómico no se comporta con la lógica que conocemos. De hecho, se aleja de lo comprensible y es imposible hacerse una idea de lo que supone fuera de sus ecuaciones matemáticas. Decía Richard Feynman, uno de los físicos más reputados del siglo pasado y Premio Nóbel en 1965 por sus contribuciones a la electrodinámica cuántica, que “si alguien dice que entiende la mecánica cuántica, es que no ha entendido la mecánica cuántica”. Cierto es que a Feynman le costaba entender por qué el común de los mortales necesitaba algo tangible y material a lo que agarrarse a la hora de comprender un modelo o entender una idea de la física. A él le bastaba con mirar las ecuaciones para entender la naturaleza. Pero claro. Hablamos de una persona a la que la prestigiosa revista de ciencia y ciencia ficción Omni (hoy ya desaparecida, no la busques fuera de las hemerotecas) declaró en 1979 “el hombre más inteligente del mundo”. Ahí es nada. Así que no seré yo el que trate de entenderla (heavy metal), ni te voy a transportar a ti a un mundo de ecuaciones complejo y lleno de letras griegas. Ni soy capaz ni quiero. Olvídate, que no estás aquí para eso.


Según la mecánica cuántica, el movimiento de los micro-objetos se distingue cualitativamente del movimiento de los cuerpos ordinarios en que no es una traslación a lo largo de una trayectoria. El átomo de hidrógeno, por utilizar un ejemplo ya comentado en este post, no consiste en un electrón localizado que se mueve alrededor de un núcleo como enunció Rutherford. El principio de Heisenberg nos indica que se puede calcular la energía de un electrón en casos particulares, pero no es posible determinar su posición exacta. Así pues, sólo se puede dar una distribución de probabilidad para las diversas situaciones posibles. El electrón, más que una partícula localizada, es una distribución probabilística de zonas donde lo podríamos encontrar. La ecuación de Schrödinger para las ondas asociadas con las partículas cuánticas da las probabilidades de encontrar las partículas en un lugar determinado y en un momento dado. Pero no da tampoco un comportamiento preciso para una partícula individual.


Ergo… la mecánica cuántica nos habla de probabilidades y no de certezas. Y es en esta particularidad donde radica la potencia de la computación cuántica con respecto a la computación tradicional.


Pero por hoy vamos a dejarlo aquí, porque es éste un asunto árido. Pero prometo volver la semana que viene para entrar en materia (nunca mejor dicho) hablándote de la computación cuántica, para ver si soy capaz de poner luz donde otros sólo ponen ego.


O no ;)


Próximamente: El de la computación cuántica

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