Los logros más importantes en ciencia y tecnología del 2019

F. Alejandro Sánchez Flores

Miembro de la Academia de Ciencias de Morelos

Este año, además de haber sido el año internacional de la tabla periódica, pudimos presenciar un gran número de avances y descubrimientos científicos. Hay que recordar, que estos avances y descubrimientos son el resultado de un trabajo acumulado que, en la mayoría de los casos, implica décadas de esfuerzo cuyos logros culminaron en este año, para algunos de estos proyectos. En esta que es la última entrega del año, mencionaré algunos de los logros más representativos en ciertas áreas de la ciencia.

Una imagen de alta resolución de un agujero negro

En la opinión de muchos, este ha sido el logro más importante del año. La existencia de los agujeros negros ha sido corroborada de manera indirecta, gracias a la observación del movimiento de estrellas que orbitan cerca de ellos. Sin embargo, nunca se habían observado de manera directa ya que son regiones en el espacio con una concentración de masa lo suficientemente elevada y densa para generar un campo gravitatorio tal, que ninguna partícula material (ni siquiera la luz) puede escapar de ella. Estos objetos fueron predichos por la Teoría de la Relatividad General (1915) de Albert Einstein, la cual se ha confirmado mediante la detección de ondas gravitacionales. Tiempo después, Karl Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones de Einstein, donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora que el radio de Schwarzschild es el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquel entonces. En 1939, Robert Oppenheimer predijo que una estrella masiva podría sufrir un colapso gravitatorio y, por tanto, los agujeros negros podrían ser formados en el espacio. En 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron que los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein y que en determinados casos no se podría impedir que se crease un agujero negro a partir de un colapso. La idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos y experimentales que llevaron al descubrimiento de los púlsares, de los cuales se ha escrito en otras publicaciones de esta columna ( http://www.acmor.org.mx/?q=content/jocelyn-bell-entre-la-poes%C3%ADa-y-la-ciencia). Poco después, en 1969, John Wheeler acuñó el término "agujero negro" durante una reunión de cosmólogos en Nueva York, para designar lo que anteriormente se llamó "estrella en colapso gravitatorio completo".

Entonces, a 104 años de dicha teoría de Einstein, se han logrado capturar las imágenes que muestran la sombra del agujero negro supermasivo, un anillo brillante, naranja y rojo, casi circular cuyo centro es negro (Figura 1). El 10 de abril de 2019, el consorcio internacional Telescopio del Horizonte de Sucesos (o Even Horizon Telescope [ETH] en inglés) presentó la primera imagen jamás capturada de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87. Las fotografías fueron obtenidas por una red mundial de telescopios en la cual participa México con el Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano” ubicado en el pico de Orizaba. Los datos recopilados de las antenas ubicadas en los diferentes continentes, fueron procesados por diferentes supercomputadoras para así obtener una sola imagen.

Figura 1. Imagen integrada del agujero negro en el centro de la galaxia M87. Tomada de https://apod.nasa.gov/apod/ap190411.html

Fue el profesor Heino Falcke, de la Universidad Radboud en Holanda, quien propuso originalmente el experimento de captar la imagen de un agujero negro y que, en este caso, lograron capturar la fotografía de uno cuya masa equivale a 6.500 millones de veces la del Sol. Falcke tuvo la idea de combinar telescopios para obtener una imagen de un agujero negro cuando era estudiante de doctorado en 1993 y fue el primero en percibir que gracias a que se genera una cierta emisión de radio cerca de y en torno a un agujero negro, sería posible detectarla por telescopios en la Tierra. Falcke también recordó que, en un estudio científico de 1973, mencionaba que los agujeros negros aparecían 2.5 veces más grandes que su tamaño real debido a su enorme gravedad. Gracias a estos dos factores, fue posible realizar lo que se consideraba imposible. Durante dos décadas, se buscó el financiamiento para este proyecto hasta que finalmente el Consejo de Investigaciones Europeo, la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos y agencias en el este de Asia, se sumaron a la iniciativa que requirió más de $50 millones de dólares.

Algo importante de mencionar es que la cantidad de datos generados fue tal, que se requirió enviar toda la información de manera física (en discos duros de computadora) para su procesamiento (Figura 2) en Boston (E.E.U.U.) y Bonn (Alemania). Ademas del poder de computo necesario para la integración de dicha información para generar la foto del agujero negro, el trabajo fue posible gracias al algoritmo desarrollado por Katherine Bouman cuyo trabajo consiste en desarrollar nuevos sistemas para formación de imágenes por computadora. Katherine forma parte del proyecto ETH y su algoritmo llamado Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors (CHIRP) fue una pieza clave para la reconstrucción de la imagen de un agujero negro.

Figura 2. Katherine Bouman y los discos duros que contienen la información para el procesamiento de la primera imagen del agujero negro. Tomada de https://www.bbc.com/mundo/noticias-47880446

Cómputo e internet cuántico

Una computadora convencional maneja información codificada en bits de manera binaria, esto es usando 0 y 1. Ahora, una computadora cuántica usa cúbits o bits cuánticos, que se pueden establecer en algún valor entre 0 y 1 o incluso, en ambos a la vez. Esta es la gran diferencia entre el computo mecánico y el cuántico. Para ciertos problemas, las posibles soluciones pueden ser representadas por diferentes ondas cuánticas representados como cúbits. Debido a que el sistema explora una gran cantidad de posibles soluciones a la vez, una computadora cuántica completa podría, factorizar grandes cantidades mucho más rápido que las computadoras convencionales. Para esto, es necesario hacer uso de materiales superconductores para poder construir el “hardware” que integra una computadora cuántica. Recientemente, la compañía IBM presentó su primer computador cuántico para uso comercial. El System One combina tanto computación cuántica como "tradicional" para ofrecer un sistema de 20 cúbits para utilizar en investigaciones y grandes cálculos. Por otro lado, investigadores de la compañía Google dicen haber dado un paso clave hacia una computadora cuántica usando un chip que contiene 53 cúbits hechos de pequeños circuitos de metal superconductor (Figura 3). Al realizar pruebas, se demostró que la computadora cuántica calculó en 200 segundos algo que tomaría una supercomputadora 10,000 años en descubrirse, dice el equipo. Sin embargo, los investigadores de IBM argumentaron que, usando el algoritmo correcto, una supercomputadora actual podría resolver la misma prueba en tan solo 2 días y que por lo tanto, las estimaciones de los investigadores de Google no son correctas. A pesar de que aun está en vías de desarrollo el computo cuántico, podemos considerar que es una realidad y que posiblemente presenciaremos una batalla por la “supremacía cuántica” entre las grandes compañías de computo. Mientras tanto, seguiremos en la espera de un producto comercial que revolucione al mundo próximamente.

Figura 3. Imagen de un arreglo de procesadores cuánticos de Google. Tomada de https://vis.sciencemag.org/breakthrough2019/finalists/#Quantum-supremacy

Por otro lado, tenemos el desarrollo del internet cuántico, que está ligado al desarrollo de las computadoras cuánticas. Si se logra que dos aparatos cuánticos se comuniquen entre sí, se podrá reunir su potencia para crear una enorme máquina cuántica. Con la internet cuántica, podríamos enviar mensajes a una velocidad nunca antes experimentada. Como ya se mencionó, se están construyendo computadoras cuánticas de distintos tipos, utilizando diferentes estrategias como el uso de partículas de luz, iones atrapados o cúbits. Hay científicos a favor de crear una internet cuántica basada enteramente en partículas de luz (fotones), mientras que otros creen que es más fácil hacer redes cuánticas en las que la luz interactúe con la materia. Sin embargo, posiblemente una de las aplicaciones más importantes de la internet cuántica es el sistema de distribución de clave cuántica (QKD por sus siglas en inglés), mediante el cual se genera una clave secreta usando un par de fotones entrelazados. Esta idea se remonta a 1970, cuando Stephen Wiesner propuso que la información podría codificarse en cúbits. Wiesner señaló que, ya que no se pueden medir las propiedades de un cúbit sin modificarlo, es imposible hacer copias exactas del mismo, por el cual es imposible extraer información del sistema sin ser detectado. Desde hace tiempo, hay empresas que se dedican a la comercialización de claves cuánticas. En Suiza, por ejemplo, el envío del recuento de votos en las elecciones de Ginebra se protege con criptografía cuántica, al igual que las comunicaciones de muchos de los bancos suizos con sus clientes. Sin embargo, existen limitantes para su aplicación para el internet, ya que el uso de fotones tiene un límite de distancia. Una solución para superar la limitación de la distancia en estos sistemas serían los repetidores cuánticos, análogos a los amplificadores que se instalan en la fibra óptica. Otra opción es dejar de lado los dispositivos terrestres y recurrir a las comunicaciones vía satélite. Ya se han realizado con éxito algunos experimentos en los que se envían fotones a un satélite y éste los refleja de vuelta, paso previo a que la criptografía cuántica pueda distribuir claves seguras a cualquier rincón del planeta. En agosto de este año, China puso en órbita el primer satélite (Figura 4) que podrá transmitir fotones a través del espacio y con esto realizar las primeras pruebas de comunicación cuántica. Con esto, China se pone a la cabeza en la carrera por el liderazgo de la comunicación cuántica, que posiblemente veamos desarrollarse en los siguientes años. Si el internet cuántico llega a ser una realidad, en un futuro no muy lejano, podremos navegar con la certeza de que nadie pueda saber lo que estamos haciendo, con lo que se podría alcanzar algo que hoy es muy difícil, que es tener absoluta privacidad.

Figura 4. Imagen del satélite cuanto puesto en orbita por China. Tomada de https://www.nature.com/news/chinese-satellite-is-one-giant-step-for-the-quantum-internet-1.20329

Almacenamiento de información usando ADN

Si bien, el desarrollo de la ciencia y la tecnología resuelve muchos problemas, también genera otros que deben ser resueltos para continuar con el avance. Uno de ellos es el volumen de información y su almacenamiento (el problema del Big Data). Una alternativa reciente para solucionar este problema, es el uso de la molécula de ADN para codificar información y que sobrepase los límites de los dispositivos actuales de almacenamiento digital. Se predice que para el año 2040, el almacenamiento de datos consumirá 10 a 100 veces el suministro esperado de silicio de grado microchip, si se sigue utilizando la tecnología actual, por lo que es necesaria una alternativa para el almacenamiento de datos. El ADN, que es aproximadamente un millón de veces más denso en información que las unidades de memoria portátiles actuales. También es más estable, más seguro y utiliza un mínimo de energía. Este año, la compañía CATALOG anunció que lograron codificar toda la información (en inglés) de la Wikipedia disponible hasta ese momento, en una molécula sintética de ADN. La hazaña fue lograda utilizando una “máquina de escribir” de ADN (Figura 5), con la cual pretenden solucionar algunos problemas para ciertos clientes. Las cadenas de ADN son pequeñas y difíciles de manejar, pero las moléculas biológicas pueden almacenar otros datos además de los genes que rigen todos los procesos biológicos en los seres vivos. Su tecnología de relativo bajo costo, podría ser una solución comercial en un futuro próximo. Con su primera máquina prototipo, se puede codificar un Terabit completo por día y para 2022, la compañía espera poder aumentar eso a un Petabit, que representaría una mejora de 1000 veces. Con esto se tendría una solución muy competitiva para el almacenamiento de archivos, como registros médicos o legales, así como el almacenamiento de bases de datos de películas en estudios de cine.

Figura 5. “Máquina de escribir” de ADN de la empresa CATALOG. Puede escribir hasta 4 Megabits por segundo. Tomada de https://www.cnet.com/news/startup-packs-all-16gb-wikipedia-onto-dna-strands-demonstrate-new-storage-tech/

Estos logros, son solo algunos ejemplos de lo que se consigue gracias a la investigación científica que es una carrera de largo aliento. El lograr algo que se consideraba imposible como la imagen de un agujero negro, es el resultado de un trabajo que comenzó con teorías formuladas hace más de 100 años. A su vez, los avances tecnológicos y en particular los de las tecnologías del cómputo y el internet cuántico, podrían revolucionar el mundo y cambiar el paradigma de la información digital. Incluso, alternativas como el uso de moléculas, nos permitirían migrar el mundo digital a nuevos modelos que utilicen moléculas biológicas. Sin embargo, aún hay mucho trabajo que hacer por lo que es importante seguir apoyando la ciencia no solo en nuestro estado, sino en el país y en el mundo entero.

La Academia de Ciencias de Morelos les desea a todos un Feliz Año 2020 y agradece a la Unión de Morelos por el espacio ininterrumpido para la publicación de esta columna. Sobre todo, agradece a los lectores que siguen esta columna en la cual se trata de cumplir con el compromiso moral que tienen los científicos con la sociedad.

Esta columna se prepara y edita semana con semana, en conjunto con investigadores morelenses convencidos del valor del conocimiento científico para el desarrollo social y económico de Morelos. Desde la Academia de Ciencias de Morelos externamos nuestra preocupación por el vacío que genera la extinción de la Secretaría de Innovación, Ciencia y Tecnología dentro del ecosistema de innovación estatal que se debilita sin la participación del Gobierno del Estado.

Lecturas recomendadas

https://vis.sciencemag.org/breakthrough2019/

https://www.bbc.com/mundo/noticias-47880446

https://bestlifeonline.com/scientific-breakthroughs-2019/

https://www.bbc.com/mundo/noticias-41609396

http://www.comoves.unam.mx/numeros/articulo/205/internet-cuantico

https://www.nature.com/news/chinese-satellite-is-one-giant-step-for-the-quantum-internet-1.20329

https://www.inc.com/greg-satell/data-storage-is-becoming-a-massive-problem-this-startup-may-have-answer.html

https://www.scientificamerican.com/article/dna-data-storage-is-closer-than-you-think/