método computacional

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa en remolinos caprichosos. De igual manera, una partícula cuántica, al intercambiar energía con su entorno, cambia su estado de una manera compleja y enredada. Describir esta danza entre partícula y entorno es una tarea que durante mucho tiempo dejó perplejos a los científicos.

Cuando el azúcar cae en el té, se disuelve. Pero, ¿por qué no vuelve a precipitarse? Todo se debe al potencial químico, una magnitud que indica cuán "conveniente" es para una sustancia encontrarse en un lugar y estado determinados. Para una sustancia pura es fácil de calcular, pero para una mezcla de varios componentes es un verdadero rompecabezas.

El cerebro no solo reacciona al mundo: constantemente está adivinando qué ocurrirá en el instante siguiente. Este principio se conoce como codificación predictiva: las neuronas comparan las expectativas con la realidad y actualizan su imagen interna cuando ocurre un error.

La neurona clásica es un músico de cámara que extrae solo una nota de cada cuerda: toma una suma ponderada de entradas, añade un sesgo y la pasa por una no linealidad.

La célula se parece a una biblioteca donde cada día se copian miles de libros. Las máquinas moleculares —polimerasas y ribosomas— se deslizan a lo largo de la cadena plantilla y ensamblan una copia, eslabón por eslabón. Estas máquinas tienen varios estados: pueden frenarse, equivocarse o cambiar de modo.

Una orquesta toca sin director y se oye que el tempo se acelera y se ralentiza. Solo se tiene la grabación del sonido, no la partitura. ¿Se puede deducir de esa grabación qué cuerda hay que tocar para que toda la orquesta suene más uniforme? Algo parecido se preguntan los científicos que estudian los sistemas complejos: el clima, la turbulencia, los ritmos biológicos.

Mete un dedo en el agua una sola vez y, con esa única sensación, intenta adivinar su temperatura. En el mundo cuántico, estas mediciones únicas ocurren a cada paso, solo que lo que hay que adivinar son parámetros invisibles: por ejemplo, la fuerza de compresión de un rayo láser.

La expansión del Universo se acelera, y quizás la gravedad no funciona como pensamos. Los físicos desarrollan teorías alternativas, pero para comprobarlas, hay que calcular cómo de las ondas después del Big Bang crecieron las galaxias. Estos cálculos son ecuaciones largas con cientos de términos, donde es fácil perderse.

En una trampa de campos, los científicos ensamblaron un cristal — 150 iones a temperatura ultrabaja. Cada ion se comporta como un diminuto imán, capaz de girar en cualquier dirección. Controlando fuerzas que dependen de este espín, los físicos hicieron que todos los pequeños imanes se arremolinaran en un remolino común, llamado skyrmion.

El juez entra en la sala, pero no mira las pruebas: dicta sentencia de inmediato. Así funciona el nuevo sensor cuántico: no mide la señal, sino que decide directamente a qué clase pertenece. En la detección cuántica ordinaria, todo es como en una investigación: primero se recogen pruebas (se mide la señal) y luego se analizan.

Los sistemas físicos saben calcular. Si se construye un paisaje de colinas y valles de modo que el punto más bajo corresponda a la respuesta, el sistema rueda hasta allí solo, como una canica. El problema es que en el fondo suele haber una zona plana y la canica tarda mucho en quedarse quieta. Los autores del trabajo proponen empujar la canica hacia el lugar correcto antes de empezar.

Una computadora normal, cuando busca una ley de la naturaleza a partir de datos, intenta adivinar una fórmula completa de una sola vez. Es como si un cocinero, sin conocer la receta, echara todos los ingredientes a la vez en la olla y esperara que saliera una sopa. La mayoría de las veces sale una papilla incomible: la fórmula es larga pero sin sentido, y con datos nuevos se equivoca.

La computadora cuántica IBM Heron R3 resolvió un problema ante el que el método clásico se echó atrás. Se trata de encontrar el estado fundamental, es decir, el nivel de energía más bajo de un sistema de 49 bits cuánticos.

El plasma es un gas en el que los electrones se han separado de los átomos y que conduce la electricidad. En el espacio, este gas suele estar tan enrarecido que las partículas casi no chocan entre sí, y su comportamiento se describe mediante las ecuaciones de movimiento de cada partícula.

Un programador escribe código, lo ejecuta, ve el error y lo corrige. Ahora, ese proceso se puede delegar en el propio programa. El aprendizaje profundo en imagenología médica ya sabe mejorar algoritmos, pero normalmente requiere muchos datos y ejemplos preparados.

Una película magnética dividida en diminutas celdas con flechas se comporta como una multitud en una plaza. Mientras hace frío, todas las flechas apuntan en la misma dirección: orden perfecto. Calienta la película y las flechas empiezan a agitarse como transeúntes que han perdido su rumbo.

En una máquina de circulación extracorpórea, la sangre fluye a través de tubos estrechos y aspas de bomba que giran rápidamente. A veces los glóbulos rojos no aguantan: su membrana se rompe y la hemoglobina se vierte en el plasma. Para el paciente, es como si alguien echara arena en el sistema de combustible de un automóvil: los pequeños daños se acumulan y estropean todo el mecanismo.

La sal en un vaso de agua es una multitud de partículas cargadas. Mientras hay mucha agua, cada partícula flota por su cuenta, rodeada de un denso abrigo de moléculas de agua. Pero si sigues echando sal, el agua empieza a no alcanzar para todos, y las partículas comienzan a buscarse. Primero se enganchan en pares, luego en racimos más grandes.

Tres mil metros sobre el nivel del mar, una pared vertical. El escalador clásico trepa por una sola ruta, paso a paso, y a menudo se queda atascado en un mínimo local: una pequeña repisa desde la que no hay camino hacia arriba. El escalador cuántico actúa de otra manera: es capaz de saltar sobre el cañón y aterrizar en la cuenca de energía vecina, donde la ruta es mejor.

Dos anillos de vórtice lanzados uno tras otro se atraviesan mutuamente, intercambiando sus posiciones. Esta danza, observada por primera vez en el siglo XIX con anillos de humo, ahora se ha reproducido en un procesador cuántico. Los vórtices son actores en el escenario cuántico, donde el tiempo actúa como una dimensión adicional.