Vikas Solanki ha cubierto tres de los mayores programas de investigación y / o direcciones que la sociedad está siguiendo actualmente. Aquí hay algunos otros que me parecen interesantes:
Informática cuántica adiabática e información cuántica
Las computadoras cuánticas pueden proporcionar aceleraciones algorítmicas significativas; por ejemplo, el algoritmo de Grover [1] proporciona una manera de ordenar una lista de tamaño [math] n [/ math] en [math] \ mathcal {O} (\ sqrt {n}) [/ math] time. La ‘unidad’ fundamental de una computadora cuántica es el qubit, que significa bits cuánticos. La versión pobre de por qué un qubit puede hacer más cálculos que un solo bit es porque un bit [math] b \ in \ {0,1 \} [/ math] mientras que un qubit [math] q \ in \ {(a , b) \ in \ mathbb {C} ^ 2: | a | ^ 2 + | b | ^ 2 = 1 \} \ cong S ^ 3 [/ math], lo que implica que un qubit puede almacenar los datos de múltiples bits . Debido a limitaciones físicas (por ejemplo, el efecto de sala cuántica fraccional juega un papel importante en la computación cuántica topológica), uno no puede realmente obtener un estado que sea un punto arbitrario en [math] S ^ 3 [/ math]. La diferencia entre un bit clásico y un qubit se debe a un fenómeno físico conocido como entrelazamiento .
Las computadoras cuánticas adiabáticas son una forma de computadora cuántica que aprovecha el teorema adiabático [2] para tomar un estado no interactivo (por ejemplo, un qubit que es “similar” a un bit clásico) y lo perturba en un estado interactivo (un qubit que es distinto de un bit clásico). Este método de generación de qubits es más práctico y tiene el potencial de escalar bien.
Desde el artículo de Farhi-Sipser del 2000, [3] el atractivo de las computadoras cuánticas adiabáticas como solucionadores SAT ha estado en la mente de los teóricos de la información cuántica en todo el mundo. En mayo de 2011, una compañía canadiense llamada D-Wave (compañía) creó lo que afirmaron que era una computadora Adiabatic Quantum de 8 qubits en funcionamiento:
Han vendido una copia de esta computadora a Lockheed Martin [4] y han publicado un artículo de Nature [5] que describe su método. La mayoría de nosotros en el ámbito de la física computacional tendemos a pensar que todavía no tienen una computadora cuántica porque no han demostrado el enredo. Además, al parecer, Google ha estado lo suficientemente enamorado de D-Wave para desarrollar algoritmos para esta computadora [6]. ¡Sin embargo, esto es bastante prometedor y esperamos ver avances en el futuro!
En términos de información cuántica, hay muchos experimentos emocionantes en los campos de la óptica cuántica y la nanofotónica. Personalmente (debido a mi experiencia en Teoría de cuerdas, Geometría algebraica) Estoy bastante enamorado por el trabajo en Topological Quantum Computing en Microsoft Station Q [7]. Tienen a Michael Freedman [8] y Sankar Das Sharma [9] que son investigadores influyentes en el campo.
Sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) y el satélite Planck
Uno de los mayores descubrimientos astrofísicos de los últimos cincuenta años es el Fondo de Microondas Cósmico (CMB) . El CMB es una de las herramientas que podemos usar para inferir la estructura extremadamente temprana del universo. De crucial importancia es el fenómeno de la inflación . En términos generales, la inflación es el aumento exponencial (o posiblemente superexponencial) en el volumen del universo durante un período muy corto ([math] \ approx 10 ^ {- 34} – 10 ^ {- 32} [/ math] segundos después de la Gran Bang) período de tiempo. Como lo ilustra el hermoso esquema siguiente, este régimen inflacionario está dominado por los efectos cuánticos que WMAP pretende explorar [10]:
Como tenemos marcos vagos y difíciles de validar para comprender la gravedad cuántica, la inflación es un fenómeno bastante difícil de explicar cuantitativamente. Alan Guth hizo un importante avance en este campo en los años 80. En pocas palabras, el hito de Guth de 1981 [11] hace aproximadamente la siguiente afirmación:
Si el universo contiene un campo escalar [math] \ phi [/ math] y si la densidad de energía de este campo, [math] \ rho _ {\ phi} [/ math] es aproximadamente la densidad de energía del universo [math] \ rho_ {total} [/ math], entonces tenemos una aceleración cósmica ([math] w _ {\ phi} = -1 [/ math])
Este resultado histórico nos proporciona una forma potencial de verificar la existencia de inflación y estudiar el CMB nos ayudará a determinar si nuestro universo satisface las hipótesis de la declaración anterior. Como señaló Jay Wacker en Will Alan Guth, ¿ganará el Premio Nobel de Física ?, esto será un logro monumental en cosmología.
Edición: me olvidé estúpidamente de mencionar el Satélite Planck, que es efectivamente el sucesor de WMAP. Para el 2013, nos dará una mejor visión del CMB y, con suerte, podremos inferir algunos datos sobre la geometría del universo primitivo. Es de esperar que estos datos aporten cierta validez a diversas teorías, como la teoría de cuerdas.
También es interesante observar que la teoría de cuerdas ha desempeñado un papel importante en las teorías de la inflación [12]. Existe la especulación de que se pueden usar métodos de teoría de cuerdas para resolver algunos problemas grandes que todavía están abiertos en esta área. Por ejemplo, hay algo conocido como el problema [math] \ eta [/ math] o en lenguaje coloquial, “¿Por qué es tan leve la inflación?” Hay algunos artículos que intentan demostrar que la teoría de cuerdas puede predecir con mayor precisión la inflación y algunos miembros más bulliciosos de la comunidad han afirmado que es posible “validar” la teoría a este respecto. Algunas personas importantes en la teoría de las cuerdas inflacionarias son Shamit Kachru y Juan Maldacena.
Solo una nota: mi interés en este tema se hereda de mi asesor de tesis de licenciatura que trabaja en los modelos de inflación de la Teoría de cadenas. No soy un experto, pero he leído algunos artículos sobre el tema. He encontrado que las conferencias / diapositivas de Daniel Baumann [13] son una excelente introducción breve a la inflación (para aquellos con algo de QFT).
Plegamiento de proteínas y descubrimiento de fármacos
Nota: esto es en lo que actualmente trabajo.
El descubrimiento de fármacos es un problema extremadamente difícil que ha dejado perplejos a los biólogos, a los químicos y, hasta cierto punto, a los físicos durante muchos años. Incluso hoy, una gran parte de nuestros medicamentos recetados y no recetados están inspirados en la naturaleza. Sin embargo, nos gustaría tener más control sobre el proceso de descubrimiento de medicamentos, porque en algún momento habremos agotado las fuentes naturales de inspiración para el diseño de medicamentos. Después de los primeros éxitos del desarrollo de medicamentos en este siglo, los practicantes realmente comenzaron a creer que el diseño racional de los medicamentos superaría el campo; es decir, la investigación química aportaría más medicamentos que descubrir un compuesto sorprendente en la naturaleza.
¿Cuáles son los problemas con el diseño racional de medicamentos? (Esto refleja mi opinión / sesgos, por supuesto, hasta cierto punto)
- La gente no responde a las drogas de la manera que los químicos predicen. Es realmente desafortunado cuando te ves forzado a una “droga milagrosa” porque una droga adrenal oscura es destruida por la droga.
- Hay demasiadas drogas posibles . He escuchado números variados sobre esto, pero hay en algún lugar entre [math] 10 ^ {30} [/ math] y [math] 10 ^ {100} [/ math] drogas posibles (dado el ‘conocimiento’ actual del diseño de drogas; cuantificación esto es lo que da diferentes predicciones).
- No hay suficiente ciencia en el estudio para esperar buenas predicciones . Gran parte de la investigación es para cosas como QSAR que son, en el mejor de los casos, medidas de arranque que utilizan heurísticas como la Regla de cinco de Lipinski.
- La bioinformática, en su mayor parte, se centra en el diseño de medicamentos como un “problema unidimensional”. Gran parte de la investigación no química en el campo se centra en el tratamiento de la interacción fármaco-proteína de forma unidimensional (por ejemplo, comparar la secuencia de aminoácidos lineal con la estructura del fármaco). Es poco probable que esto tenga un impacto significativo en el diseño de medicamentos.
Entonces, ¿qué podemos hacer?
Podemos estudiar la física involucrada . Un buen número de físicos computacionales y teóricos de la materia condensada han gastado la mejor parte de los últimos 30 años buscando formas de describir la física de las proteínas. Esto es crucial porque la interacción entre las proteínas y los medicamentos se decide por la conformación o la estructura plegada de la proteína. Aquí está el proceso de desplegar y plegar de Villin [14]:
La forma en que una proteína se pliega es un problema físico . Una cosa notable que hemos descubierto en los últimos 10 a 15 años (gracias al gran aumento en el poder computacional) es que para una gran cantidad de proteínas no se necesita mucho más que la mecánica clásica. Si tratamos una proteína, que está formada por muchas decenas de miles de átomos, como un sistema de cuerpo [math] n [/ math], entonces el problema físico es el siguiente:
¿Cuáles son las fuerzas que son necesarias y suficientes para describir la dinámica de una proteína? Además, ¿qué papel juega el solvente en el plegamiento de la proteína? ¿Necesitamos simular también el solvente?
Dichas simulaciones de cuerpo de [math] n [/ math] se llaman Dinámicas Moleculares , porque estamos resolviendo la dinámica de los sistemas hasta la resolución atómica. En su mayor parte, las fuerzas que se simulan en simulaciones de MD consisten en lo siguiente:
- Osciladores armónicos para enlaces covalentes : Sí, a los físicos nos encantan nuestros resortes, desde la mecánica clásica básica hasta la teoría de campos cuánticos. Estas fuerzas controlan tanto la rotación (término diédrico), [math] \ mathbf {F} _ {rot} \ sim k (\ theta- \ theta_0) [/ math] y la traducción atómica [math] \ mathbf {F} _ {trans } \ sim k (r-r_0) [/ math]
- Fuerza torsional: la fuerza torsional asociada a una molécula se describe mejor mediante imágenes:
- Fuerza de van der Waals: Esto suele ser descrito por algo como el potencial de Lennard-Jones, [math] U_ {LJ} \ sim r ^ {- 12} – r ^ {- 6} [/ math]
Genial, así que el problema se resuelve ¿verdad? No Resulta que tales problemas son extremadamente intensivos en computación . Para poner esto en perspectiva, IBM creó a BlueGene como la supercomputadora “más rápida” (por FLOPS) del mundo Para resolver este problema [15]. Sin embargo, en 2004, el tiempo más largo que habíamos simulado fue una simulación de 10 microsegundos por el grupo de primera clase de Klaus Schulten en la Universidad de Illinois. Esta simulación tomó tres meses y requirió solvente implícito (lo cual es relativamente importante).
En la última década, hemos visto un aumento de [math] 10 ^ {2} – 10 ^ {3} [/ math] en el tiempo que podemos simular. En aproximadamente tres meses, Anton de DE Shaw Research puede simular simulaciones de 2 a 5 milisegundos [16] . Y sentimos que solo hemos encontrado la punta del iceberg cuando se trata de la interacción fármaco-proteína. Para referencia, te remito a los documentos del grupo [17]. Además, echa un vistazo a las videoconferencias de David en Stanford sobre el plegado de proteínas / MD [18,19].
Hardware de computación especializada
Agregaré más sobre esto más adelante, pero por ahora aquí está la computadora especializada que más me gusta:
Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER)
Este es un proyecto a muy largo plazo (al menos 20 años) que intenta hacer viable la fusión nuclear en el futuro. Para más información, ver:
- Acabo de leer sobre ITER, un proyecto para construir un reactor de fusión que genera más energía de la que consume (10x). ¿Cuál es el estado actual de la investigación de fusión nuclear?
- ¿Cuándo es probable que ocurra una fusión de equilibrio en un laboratorio y luego en un contexto comercial?
Experimentos de colisión de iones pesados
Cuando la mayoría de las personas escuchan sobre los aceleradores de partículas y los experimentos de “destrucción de átomos”, piensan inmediatamente en protones, electrones o neutrones que se estrellan entre sí a un 99,9999% de la velocidad de la luz. Sin embargo, ¿qué sucede cuando nos estrellamos partículas mucho más grandes entre sí a velocidades casi luminales? Resulta que obtenemos una fase interesante de la materia conocida como Quark-Gluon Plasma (QGP) . ¿Qué significa esto? Recuerde que los protones y los neutrones están formados por partículas aún más pequeñas llamadas quarks, cuya estabilidad / interacción está mediada por una partícula llamada gluón. Una pregunta inmediata que uno podría hacer es: “¿Por qué los protones y los neutrones se mantienen juntos en paquetes coherentes en la mayoría de los experimentos?” Una forma burda de describir por qué sucede esto es que los gluones “pegan” los tres quarks de protones y neutrones (u otros bariones) para que no puedan volar lejos uno del otro. La fuerza asociada a este pegado se conoce como la Fuerza Fuerte . Tenga en cuenta que esto es, por supuesto, una simplificación y uno necesita mirar las matemáticas para ver la diferencia entre una interacción mediada por gluones (el concepto de un vector o bosón gauge es importante aquí) y una interacción mediada por fotones (por ejemplo, [matemáticas ] e ^ {-}, e ^ {+} [/ math] aniquilación).
La idea básica de un experimento de iones pesados es que si uno se rompe iones pesados (p. Ej., Partículas con muchos protones y neutrones, como los metales) entre sí a velocidades casi luminales, entonces se puede perturbar significativamente la fuerza estabilizadora de los gluones. . En lugar de tener una pequeña región compacta de espacio-tiempo que soporte un protón o neutrón, un protón / neutrón aplastado manchará las diferentes cargas conservadas (conocidas como colores ) de los quarks constituyentes en una región más grande de espacio-tiempo. Aquí hay una foto:
El púrpura es el QGP que se forma después de romper las líneas negras (que se puede considerar como columnas de protones / neutrones). Después de formar un plasma, se produce condensación, antes de que quedemos con una esfera formada por partículas elementales separadas (por ejemplo, quarks / gluones). Esta imagen es del experimento inicial del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) [20].
Aquí hay otra foto más simple:
De alguna manera, este proceso tiene analogías con los plasmas y los líquidos, lo que brinda a los físicos de alta energía una nueva forma de estudiar la fuerza fuerte. Una de las preguntas más importantes que uno puede hacer es,
¿Cuál es la viscosidad del Plasma de Quark-Gluon?
Esto es importante por algunas razones. En primer lugar, en el estudio de líquidos uno tiene la relación Stokes-Einstein que dice que la constante de difusión [math] D [/ math] es proporcional a la viscosidad inversa [math] \ eta ^ {- 1} [/ math],
[math] D \ propto \ frac {T} {\ eta} [/ math]
Se sabe que esta relación se rompe (muy levemente) en algunos plasmas como en cristales líquidos y vidrios. Dado que los procesos de difusión son bien conocidos, la viscosidad juega un papel importante en la comprensión de los procesos difusivos de tiempo continuo que ocurren durante los experimentos con partículas. Además, la viscosidad es necesaria para definir la ecuación de Navier-Stokes y podría ser interesante ver qué tan bien esta fase cuántica de la materia es aproximada por Navier-Stokes.
Hemos realizado pasos experimentales en el estudio de QGPs. El experimento en RHIC fue el primero en demostrar el efecto. Sin embargo, su cálculo de la viscosidad utilizando la cromodinámica cuántica resulta ser terriblemente incorrecto en relación con el experimento. Experimentos más recientes en ALICE (parte del CERN) han proporcionado a los científicos una cantidad significativa de datos para estudiar [21,22]. Por extraño que parezca, los teóricos de cuerdas y los teóricos de la materia condensada se unieron y encontraron una forma de utilizar la correspondencia AdS / CFT para obtener un límite inferior en la viscosidad que era mucho más preciso que la estimación de Quantum Chromodynamics [23]. Será interesante ver cómo la física teórica es capaz de explicar fenómenos en el futuro y si proporcionará una interacción muy fructífera entre las técnicas matemáticas desarrolladas en la teoría de cuerdas y el mundo real. Te dejo una imagen instantánea del experimento RHIC para darte una idea de la cantidad de datos que se recopilan:
Descargo de responsabilidad: trabajé en algunos de los aspectos más teóricos de los cálculos de QGP en mi tesis de honores y esta podría ser la razón por la que estoy muy interesado en esta aplicación
Notas al pie:
[1] Algoritmo de Grover: http://en.wikipedia.org/wiki/Gro …
[2] Teorema adiabático: http://en.wikipedia.org/wiki/Adi … También vea ¿Qué es una buena explicación fácil de usar de la aproximación adiabática en la mecánica cuántica?
[3] Farhi / Sisper: http://arxiv.org/abs/quant-ph/00 …
[4] Compra de Lockheed Martin: http://www.popsci.com/technology …
[5] D-Wave Nature Paper: http://www.nature.com/nature/jou …
[6] Google + D-Wave: http: //googleresearch.blogspot.c …
[7] Microsoft Research, Station Q: http://stationq.ucsb.edu/
[8] Freedman ganó la Medalla de Campo, en parte por uno de mis resultados favoritos: hay estructuras diferenciables homeomorfas pero no difeomorfas en [math] R ^ 4 [/ math]. Ver http://en.wikipedia.org/wiki/Mic …
[9] Cita académica principal de Das Sharma: http://www.physics.umd.edu/cmtc/
[10] Sitio WMAP de la NASA: http://map.gsfc.nasa.gov/
[11] Guth (1981): http://prd.aps.org/abstract/PRD/ …
[12] Kachru, Kallosh, Linde, Maldacena, McAllister, Trivedi: http://inspirebeta.net/record/62… . Divulgación: McAllister fue mi asesor
[13] Diversas conferencias de Baumann: http://www.sns.ias.edu/~dbaumann …
[14] El grupo de Klaus Schulten en UIUC: http://www.ks.uiuc.edu/ Fueron los pioneros del campo y desarrollaron gran parte del gran software de imágenes (a saber, VMD).
[15] Documento inicial de IBM sobre BlueGene: http://domino.watson.ibm.com/tch …
[16] Documento de Anton (ganador del Premio Gordon Bell, 2009): http://dl.acm.org/citation.cfm?i …
[17] Lista de publicaciones: http://deshawresearch.com/public …
[18] Resumen / Diapositivas: http://www.stanford.edu/class/ee …
[19] Video: http://ee380.stanford.edu/cgi-bi …
[20] http://www.physicscentral.com/ex …
[21] Sitio web de ALICE: http://aliceinfo.cern.ch/Public/…
[22] Documento reciente que generó mucho interés: http://arxiv.org/pdf/1110.1035
[23] Early AdS / CFT and QGP Paper por S. Gubser: http://prd.aps.org/abstract/PRD/ …