Juan Ignacio Cirac

Juan Ignacio Cirac, Manresa, 11.10.1965, físic, especialista en computació quàntica, un dels autors més citats en la literatura científica en aquests camp, director des de 2001 de l’Institut Max Planck d’Òptica Quàntica, Garching, Munich, Alemanya. Ha treballat en un dels primers dissenys de l’ordinador quàntic i actualment es dedica al simuladors quàntics.

Biografia
De pare català i mare de Navarra, va viure a Manresa fins els 9 anys. La mare és catedràtica de matemàtiques i el pare catedràtic de grec i treballaven a l’institut de Manresa. Diu d’ell mateix que de petit era un nen molt normal, que jugava a futbol i tennis, que practicava taekwondo, que es divertia com els altres nens, però alhora els seus pares es preocupaven perquè llegís i tingués inquietuds científiques i culturals. De Manresa va anar a Madrid, on va seguir els seus estudis i va estudiar física a la universitat Complutense, obtenint la llicenciatura en Física Teòrica el 1988 i el doctorat el 1991. Professor Titular a la universitat de Castilla – La Mancha, a Ciudad Real, de 1991 a 1996, va fer també una estada a la universitat de Colorado (EUA) entre 1993 i 1994. Entre 1996 i 2001 va ser professor de la universitat d’Innsbruck, Austria. Des de 2001 dirigeix l’Institut Max-Planck d’Òptica Quàntica a Garching, Alemanya.

Institut Max Planck d'Òptica Quàntica. Garching. Alemanya.

Institut Max Planck d’Òptica Quàntica. Garching. Alemanya.

Cirac col·labora amb diferents centres internacionals, entre els quals es troben l’Institut de Ciències Fotòniques de Barcelona (ICFO) i amb grups de recerca de les universitats de Barcelona, UB i Autònoma de Barcelona, UAB.

Ha obtingut nombrosos premis internacionals: de l’Acadèmia Austríaca de Ciències, de la Real Sociedad Española de Ciencias, de la Fundació Europea per a la Ciència, el Príncep d’Astúries, el Blas Cabrera, la medalla Franklin de Filadèlfia i la de l’Institut Niels Bohr de Copenhage. L’any 2013 va rebre, juntament amb Peter Zoller, físic austríac, el premi Wolf, considerat quasi tan important com el Nobel. Ha estat nomenat doctor «honoris causa» per les universitats de Castilla – La Mancha, l’any 2005,  i la Politècnica de Catalunya, el 2007. (1) (2) (3) (4) (5).

Carrera científica
La seva activitat científica s’ha centrat en la teoria quàntica de la informació. El seu primer gran descobriment va ser el disseny, juntament amb Peter Zoller, d’un ordinador quàntic, el 1995. Fins aleshores l’ordinador quàntic havia estat només una possibilitat teòrica, però Cirac i Zoller van mostrar el camí per a fer-lo realitat.

El professor Cirac al Institut Max Planck d'Òptica Quàntica a Garching, Alemanya

El professor Cirac al Institut Max Planck d’Òptica Quàntica a Garching, Alemanya

– Ordinadors quàntics
Un ordinador convencional manipula informació codificada en forma de bits, dígits binaris (binari dígit en anglès, d’aquí el nom de bit) als que s’assigna formalment els valor 0 o 1. Físicament aquests valors estan continguts, per exemple, en microcircuits per els que passa o no passa corrent, o en les dues diferents orientacions d’un domini magnètic (micro-imant). L’ordinador pot rebre la informació per diferents vies: teclat, pantalla tàctil, sensors, …, la codifica en llenguatge binari (bits), la processa segons una determinada seqüència d’ordres (programa) i dona el resultat que es busca a través de la pantalla, impressora, sensors, …

Els ordinadors s’han fet més i més potents en la mesura que han pogut manipular la informació cada vegada més ràpidament i han pogut contenir més quantitat d’informació (bits) en espais físics cada vegada més petits. Gordon Moore, cofundador d’Intel va predir el 1995 que el nombre de transistors continguts en un microprocessador es multiplicaria per dos cada dos anys, predicció coneguda com llei de Moore, que s’ha vingut complint aproximadament fins ara. Però això implica que arribarà un moment en que els transistors tindran una grandària d’uns pocs àtoms o inclús d’un sol àtom i les lleis físiques macroscòpiques deixaran de ser plenament vàlides ja que, a escala atòmica, regeixen les lleis quàntiques. Per tant el futur dels ordinadors passa forçosament per els anomenats ordinadors quàntics.

Un dels primers en parlar d’ordinadors quàntics va ser el físic americà Richard Feynmann que, el 1981, va dir que els ordinadors convencionals no servirien per a fer simulacions de sistemes físics quàntics i que s’haurien d’utilitzar ordinadors quàntics (6). Però els ordinadors quàntics són substancialment diferents dels convencionals que utilitzem habitualment. Hi ha almenys dues diferències substancials:
– La unitat d’informació quàntica, el bit quàntic, s’anomena qubit i pot contenir no només els valors 0 o 1, sinó també una superposició (veure nota *1 al final) dels dos valors.
– La seqüència d’ordres que ha de seguir un ordinador convencional, no és en el quàntic una condició absoluta, sinó que, mitjançant el programa adequat, pot treballar en paral·lel, executant alhora diverses ordres utilitzant els valors superposats.

– Anem a detalls concrets:
– Un ordinador quàntic amb un sol qubit, ja faria coses que no pot fer un ordinador convencional, com per exemple, generar un valor aleatori. El valor 0 o 1 que surt d’un qubit és aleatori. El valor generat per un ordinador que juga als daus no és en realitat aleatori, sinó un valor calculat (per tant no aleatori), que simula el que seria si realment haguéssim jugat els daus.
– Un ordinador quàntic amb dos qubits, podria contenir un 0 o un 1 en cada qubit i disposar de quatre parelles de dades possibles. Els dos qubits estan entrellaçats (veure nota *2 al final) i això fa que es doni la superposició dels dos valors possibles en els dos qubits. Així, podria treballar alhora amb quatre dades, fent seguir en paral·lel quatre operacions.
– Amb tres qubits, l’ordinador quàntic podria fer, seguint el mateix raonament anterior, 8 operacions en paral·lel. El nombre d’operacions en paral·lel creix exponencialment amb el nombre de qubits i això li dona una potència molt superior als ordinadors actuals.
– Un dels problemes que es presenten en la construcció els ordinadors quàntics és la decoherència, que és quan un sistema quàntic perd l’entrellaçament, és a dir, deixa de comportar-se segons les lleis quàntiques.
(6) (7)

El professor Cirac al programa Singulars de TV3 (5)

El professor Cirac al programa Singulars de TV3 (5)

– Descobriment de Cirac i Zoller
El 1995 Cirac i Zoller publiquen un article en el que proposen un disseny d’ordinador quàntic basat en ions freds, confinats en una «trampa», que contindrien els qubits d’informació. L’ió amb un electró en un nivell estable seria un 0 i en un estat superior d’energia, excitat, seria un 1. La informació s’escriuria amb uns feixos de llum làser que, il·luminant l’ió, farien saltar l’electró del nivell estable a l’excitat, «escrivint» un valor 1 en el qubit. Si l’ió no s’ha il·luminat contindria un valor 0. Per passar d’un valor 1 a un valor 0, el mateix feix làser que il·luminés l’ió el desestabilitzaria i faria caure l’electró al nivell estable, emetent el fotó corresponent a la diferència d’energia entre els dos nivells. Ells asseguren que la decoherència d’aquest sistema és negligible i les mesures poden ser fetes amb un alt grau d’eficiència
Poc temps després de la publicació del article, el físic americà David Wineland va realitzar el primer experiment d’aquest tipus d’ordinador quàntic, confirmant la predicció de Cirac i Zoller. Per aquest experiment Wineland, juntament amb el físic francès Serge Haroche, van rebre el premi Nobel de física 2012. (8) (9) (10) (11)

El 2009 Cirac i Zoller, juntament amb David Wineland, reben la medalla Franklin per «la realització experimental del primer dispositiu que fa operacions computacionals utilitzant les propietats quàntiques d’àtoms individuals», segons paraules del mateix Institut Franklin de Filadèlfia (EUA).
(12)

– Simuladors quàntics
Cirac ara treballa en simuladors quàntics, que es diferencien dels ordinadors en que es dediquen a una feina en concret, com pot ser el desplegament d’una proteïna o la dinàmica de les marees. Un simulador pot ser construït amb només 40 o 50 qubits,mentre que un ordinador quàntic hauria de tenir almenys uns 10.000 qubits. Ja ha aconseguit fer simulacions d’interès com el moviment dels electrons a través de materials superconductors a altes temperatures. (13) (14)

No em puc estar d’acabar aquest comentari sobre el professor Cirac sense posar la seva opinió sobre la situació de la ciència a Espanya, expressada en una entrevista al diari ABC del 7 de gener de 2013 (13):
«España creció mucho en los últimos 20 años, y eso es lo que ahora se ha terminado. En apenas dos o tres años se puede venir todo abajo. Es muy conocido el ejemplo de Rusia, que en los 60 y 70 era una potencia en Física y Matemáticas. Pero en los ochenta dejaron de invertir durante seis años y todavía hoy, treinta años después, no han logrado recuperarse.
– ¿Sucede lo mismo en otros países?
– La crisis afecta a todos, pero son las prioridades las que cambian. Aquí en Alemania, por ejemplo, es diferente. Cuando comenzó la crisis se hizo un pacto de estado para aumentar la inversión en ciencia un 3% cada año y durante cinco años. Y ahora que esos cinco años han pasado, el Gobierno ha decidido aumentar esa inversión aún más, hasta un 5% hasta 2015.».

Notes finals
*1.- La superposició és una característica dels sistemes quàntics que implica que, mentre no mirem quin és el valor contingut en el seu interior, aquest no estarà definit. Així, un qubit que pot contenir un 0 o un 1, mentre no mirem què conté, tindrà una superposició d’ambdós valors. Pels que hagiu sentit parlar una mica de física quàntica, recordeu la famosa paradoxa del gat de Schrödinger.

*2.- Entrellaçament quàntic, és un fenomen que implica que dos o més objectes (partícules elementals, per exemple) poden ser descrits mitjançant un estat (funció) únic que es manté encara que els objectes es trobin separats, inclús a gran distància. Va ser predit el 1953 en forma de paradoxa, per Einstein Podolsky i Rosen. Implicava tenir dues partícules descrites per un únic estat, entrellaçades, que són després separades físicament a una determinada distància. Seria possible obtenir informació, posició o moment per exemple, de la partícula llunyana només coneixent la informació de la partícula propera, el que segons els autors vulneraria la teoria de la relativitat, ja que implicaria una transmissió instantània d’informació. Experiments posteriors han confirmat el fenomen de l’entrellaçament quàntic i han confirmat el caràcter anti-intuïtiu d’aquest i altres aspectes de la teoria quàntica.

Fonts d’informació utilitzades

(1)  Max Planck Institut für Quantenoptik.
http://www.mpq.mpg.de/Theorygroup/CIRAC/wiki/index.php/Prof._Dr._Ignacio_Cirac.html
(2) Juan Ignacio Cirac  http://www20.gencat.cat/portal/site/culturacatalana
(3) http://www.fpa.es/es/premios-principe-de-asturias/premiados/2006-juan-ignacio-cirac.html?especifica=0
(4) TV3 Singulars 31.03.2009. Juan Ignacio Cirac
http://www.tv3.cat/videos/1127059/Juan-Ignacio-Cirac
(5) TV3 Singulars 09.12.2009. Juan Ignacio Cirac
http://www.tv3.cat/videos/1812659/Classe-de-fisica-quantica-amb-Cirac
(6) Juan Ignacio Cirac, Peter Zoller. Objetivos y oportunidades de la simulación cuántica. Investigación y ciencia. Noviembre 2012.
(7) http://es.wikipedia.org/wiki/Computaci%C3%B3n_cu%C3%A1ntica
(8) J. I. Cirac and P. Zoller,  Quantum Computations with Cold Trapped Ions. Phys. Rev. Lett. 74, 4091 – Published 15 May 1995.     http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.74.4091
Article original en pdf:  http://www.qudev.ethz.ch/phys4/studentspresentations/iontraps/CiracZoller1995.pdf
(9) Seth Lloyd. Computación mecánico-cuántica. Investigación y ciencia. Diciembre 1995.
(10) Ignacio Cirac, medalla Franklin 2010 de Física. El País 19.10.2009.
http://sociedad.elpais.com/sociedad/2009/10/19/actualidad/1255903218_850215.html
(11) Serge Haroche, David Wineland. Premi Nobel de Física 2012. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/press.html
(12) Premi Wolf de Física 2013.
http://www.wolffund.org.il/index.php?dir=site&page=winners&cs=737
(13) Ignacio Cirac. «Ya tenemos la receta para construir el ordenador cuántico». ABC Ciencia 07.01.2013.
http://www.abc.es/ciencia/20130106/abci-ignacio-cirac-tenemos-receta-201301041338.html
(14) Xavier Pujol Gebelli. Juan Ignacio Cirac: «Los simuladores cuànticos pronto serán realidad»
http://elpais.com/diario/2003/07/30/futuro/1059516002_850215.html

 

 Audio de la xerrada

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
“Sopa d’estrelles” del 30 d’octubre de 2014.

Aquesta entrada ha esta publicada en Científics propers, física, informàtica. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Els comentaris estan tancats.