Entrelazamiento Cuántico y su importancia en la Nanotecnología

Transcripción

1 VII Congreso Regional de Ciencia, Tecnología e Innovación: Bases para el desarrollo nacional Entrelazamiento Cuántico y su importancia en la Nanotecnología A. Giovanni Ramírez García, PhD Escuela de Ciencias Físicas y Matemáticas Universidad de San Carlos de Guatemala Guatemala, marzo de 2017

2 Introducción Física Cuántica Nanotecnología Conclusiones y recomendaciones Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 2 / 22

4 Evolución Humana Antigüedad Revolución industrial Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 4 / 22

5 Evolución Humana Siglo XX Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 4 / 22

6 Evolución Humana Siglo XXI Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 4 / 22

7 Escala de tamaños 1m [C Huang y M Huang, 2011] Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 5 / 22

8 Escala de tamaños 1m 1cm [C Huang y M Huang, 2011] Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 5 / 22

9 Escala de tamaños 1m 1cm [C Huang y M Huang, 2011] Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 5 / 22

10 Escala de tamaños 1m 1cm 1mm [C Huang y M Huang, 2011] Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 5 / 22

11 Escala de tamaños 1m 1cm 1mm 1µm [C Huang y M Huang, 2011] Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 5 / 22

14 Escala de tamaños 1m 1cm 1mm 1µm 1nm [C Huang y M Huang, 2011] Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 5 / 22

17 Nanociencia y Nanotecnología Nanociencia es la parte de una ciencia, especialmente de la física, la química y la biología, que estudia los fenómenos observados en estructuras y sistemas extremadamente pequeños, con medidas en la escala de nanómetros. La Nanotecnología es la aplicación de la nanociencia que aprovecha el diseño de estructuras a nanoescalas para obtener propiedades específicas creando nuevos materiales, estructuras y dispositivos destinados a campos como la medicina y salud, biosistemas, alimentación, electrónica, tecnologías de la información, energía y protección medioambiental [CE, Agenda UE 2020; US National Nanotechnology Initiative] Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 6 / 22

19 Física a nanoescalas y más Funciona la física clásica a estas escalas? No Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 8 / 22

20 Física a nanoescalas y más Funciona la física clásica a estas escalas? No Física cuántica (mecánica cuántica): Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 8 / 22

21 Física a nanoescalas y más Funciona la física clásica a estas escalas? No Física cuántica (mecánica cuántica): es un marco teórico que nos permite predecir el comportamiento de partículas microscópicas, nanoscópicas y más pequeñas Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 8 / 22

22 Física a nanoescalas y más Funciona la física clásica a estas escalas? No Física cuántica (mecánica cuántica): es un marco teórico que nos permite predecir el comportamiento de partículas microscópicas, nanoscópicas y más pequeñas matemáticamente es una teoría bien entendida: sabemos cuáles son sus partes y cómo ponerlas juntas Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 8 / 22

23 Física a nanoescalas y más Funciona la física clásica a estas escalas? No Física cuántica (mecánica cuántica): es un marco teórico que nos permite predecir el comportamiento de partículas microscópicas, nanoscópicas y más pequeñas matemáticamente es una teoría bien entendida: sabemos cuáles son sus partes y cómo ponerlas juntas mecánicamente, sabemos por qué cada parte funciona como debe funcionar Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 8 / 22

24 Física a nanoescalas y más Funciona la física clásica a estas escalas? No Física cuántica (mecánica cuántica): es un marco teórico que nos permite predecir el comportamiento de partículas microscópicas, nanoscópicas y más pequeñas matemáticamente es una teoría bien entendida: sabemos cuáles son sus partes y cómo ponerlas juntas mecánicamente, sabemos por qué cada parte funciona como debe funcionar pero qué describe? controversia! el mundo cuántico se sale muchas veces de nuestra cotidianidad y entenderlo requiere un poco esfuerzo Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 8 / 22

25 Fenómenos de un mundo cuántico Dualidad onda partícula Principio de incertidumbre Cuantización de la energía Importancia de la dimensionalidad Otros fenómenos que no pueden ser vistos en grandes estructuras: entrelazamiento cuántico, interacción electrón-materia, efecto túnel, fuerzas entre átomos Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 9 / 22

26 Entrelazamiento cuántico 1935, Schrödinger: No lo llamaría uno, sino el rasgo característico de la mecánica cuántica, el que la hace salirse de las líneas clásicas del pensamiento Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 10 / 22

27 Entrelazamiento cuántico 1935, Schrödinger: No lo llamaría uno, sino el rasgo característico de la mecánica cuántica, el que la hace salirse de las líneas clásicas del pensamiento 1935, EPR: una acción espeluznante a cierta distancia Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 10 / 22

28 Entrelazamiento cuántico 1935, Schrödinger: No lo llamaría uno, sino el rasgo característico de la mecánica cuántica, el que la hace salirse de las líneas clásicas del pensamiento 1935, EPR: una acción espeluznante a cierta distancia 1964, Bell: las correlaciones cuánticas son más fuertes que las correlaciones clásicas Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 10 / 22

29 Entrelazamiento cuántico 1935, Schrödinger: No lo llamaría uno, sino el rasgo característico de la mecánica cuántica, el que la hace salirse de las líneas clásicas del pensamiento 1935, EPR: una acción espeluznante a cierta distancia 1964, Bell: las correlaciones cuánticas son más fuertes que las correlaciones clásicas 1981, Aspect: experimento que aporta la confirmación de la predicción de la mecánica cuántica Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 10 / 22

30 Entrelazamiento cuántico 1935, Schrödinger: No lo llamaría uno, sino el rasgo característico de la mecánica cuántica, el que la hace salirse de las líneas clásicas del pensamiento 1935, EPR: una acción espeluznante a cierta distancia 1964, Bell: las correlaciones cuánticas son más fuertes que las correlaciones clásicas 1981, Aspect: experimento que aporta la confirmación de la predicción de la mecánica cuántica Permite que dos partículas separadas entre sí sean capaces de comunicarse sin que exista ningún canal de transmisión entre las dos, respetando los postulados de la relatividad especial Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 10 / 22

31 [APS/Alan Stonebraker] Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 11 / 22

32 Sistemas cuánticos unidimensionales t i,i i i + 1 N 1 N Una cadena de N sitios para n F electrones sin espín cuya dinámica está dada por t i,i+1 i 1 i i + 1 i + 2 N 1 N 1 2 H = N t ij c i c j + hc i,j=1 t: matriz N N de interacciones (hopping) c i y c i : operadores de creación y aniquilación Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 12 / 22

33 Sistemas cuánticos unidimensionales l Ley del área Teorema de Hastings: Sistemas con una banda prohibida en el espectro de energía l S(l) constante Violaciones logarítmicas: Sistemas sin banda prohibida con una simetría conforme Entropía de entrelazamiento Estados no factorizables: S A > 0 S(l) c log (l) 3 c: carga central de la CFT Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 13 / 22

34 Entrelazamiento cuántico y... Computación cuántica Cryptografía cuántica [Xing-Can Yao et al. 2012] [Clark, 2013] Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 14 / 22

35 Entrelazamiento cuántico y... Teleportación Geometría [Merali, 2012] [Ooguri, 2015] Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 15 / 22

37 Nanoestructuras de carbono Grafeno, 2D Fullerenos, 0D Nanotubos, 1D Grafito, 3D [Geim y Novoselov, 2007] Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 17 / 22

38 Nanoestructuras de carbono Estructura cristalina del C60 (Buckminister Fullerene) [Mehrotra y Klimeck, usando Crystal Viewer Tool] Modelo de un nanotubo de carbón [Schwarzm, usando C4D/Cartoonrenderer] Aplicaciones Simuladores cuánticos Computación cuántica Información cuántica Aplicaciones médicas Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 18 / 22

39 Algunas aplicaciones Biomedicina Energía renovable [Chuang, 2014] [Drummen, 2010] Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 19 / 22

41 Conclusiones 1. El entrelazamiento cuántico ayuda a determinar la geometría del espacio tiempo Recomendaciones 1. Cuál es nuestro papel en el desarrollo de la nanociencia y la nanotecnología? 2. Podemos invertir en nanotecnología? 3. Podemos invertir en nanociencia? Física y matemáticas Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 21 / 22

42 Muchas gracias! Contacto: Dr. Giovanni Ramírez García Dr. Giovanni Ramírez (ECFM-USAC) Entrelazamiento Cuántico y Nanotecnología 22 / 22