España en el medallero de Shangai

España ha quedado en el puesto 14 en el medallero de los JJOO de Rio de Janeiro.   Teniendo en cuenta que ocupamos el puesto 12 en el ranking de producto interior bruto, nuestro  puesto en el medallero parece  razonable: únicamente hay un país por encima   con menor población y menor renta per-capita (Hungría).  Es decir, que nuestra ubicación en el medallero se corresponde  con  nuestra potencia económica.    Lo mismo se aplica a una gran cantidad de rankings. Por ejemplo, en  el ranking de millonarios de la lista Forbes de 2015,  el español Amancio Ortega ocupa el segundo puesto. Inditex y Mercadona están en el top-50 de grupos de distribución, a nivel mundial.  En un ranking de bancos, el Santander ocupa el puesto 17.  De acuerdo con el ranking de MBAskool,  Telefónica es la octava compañía de comunicaciones del mundo. El País y el Mundo ocupan los puestos 12 y 19 en el ranking de periódicos  on-line.   España ocupa el tercer lugar en el ranking de esperanza de vida de 2015, el segundo lugar en el ranking mundial de kilómetros de vías de tren de alta velocidad, el quinto  país con más restaurantes con 3 estrellas michelin, el undécimo lugar en el ranking de libros publicados.

Realmente,  lo difícil es encontrar un ranking en el que España, o una empresa española, o un ciudadano español no estén entre los 100 primeros, lo cuál es un fiel reflejo de nuestra potencia como país, la decimosegunda economía más grande del mundo.  A la luz de todo esto, resulta realmente difícil de digerir el resultado que, año tras año,  arroja   el  famoso ranking de Shangai, que recoge las 500 mejores Universidades del mundo.   Nuestra universidad mejor situada (Universidad de Barcelona) aparece en el puesto 176.  Hay 23 países que tienen al menos una Universidad mejor que nuestra mejor Universidad:  EEUU, Reino Unido, Suiza, Japón, Canadá, Dinamarca, Francia, Australia, Alemania, Suecia, Holanda, Noruega, Israel, Finlandia, Bélgica, Rusia, Singapur, Corea del Sur, Brasi, Arabia Saudi, Taiwan, Italia e Irlanda.  Esto incluye varios países con menor población (Suiza, Canadá, Dinamarca, Australia, Suecia, Holanda, Noruega, Israel, Finlandia, Bélgica, Singapur, Taiwan, Irlanda),   y con menor renta per capita (Israel, Rusia, Brasil, Arabia Saudi) y con menor  PIB (Suiza, Dinamarca, Canada, Australia, Suecia, Holanda, Noruega, Israel, Finalandia, Bélgica, Singapur).

Iba a terminar  esta entrada con un desafío   a los lectores de este blog,  pidiendo que encuentren  un ranking internacional de cualquier  aspecto   en el que quedemos peor.    Algo en lo que España esté entre los 23 mejores, como país,  o en un ranking en el que compiten empresas, personas o instituciones,  no nos metamos en el top 176. Dicho de otra forma,  iba a pedir que alguien me diga si  hay algo en España que funcione,  comparado con el rendimiento de otros países,  peor que nuestras universidades.   Resulta que si, que España  hace peor todavía  otra cosa, también relacionada con la educación. En el Programa de Evaluación Internacional de Estudiantes, conocido como Informe PISA,   España sale en los puestos 33, 29 y 30, en Matemáticas,  Ciencias y Habilidad lectora, respectivamente, basándose en pruebas objetivas realizadas a estudiantes de 15 años.   A la luz de lo poco que parece importarle esto a la gente,  tener un sistema educativo muy malo, con una tasa de paro que triplica la de la OCDE,  no es un problema si eres el país con mayor número de bares por persona del mundo,   y vas sacando medallas en los juegos olímpicos y ganando Copas de Europa, ¿no?.

Nuestro pequeño homenaje a Feynman

Los lectores de este blog conocen bien la historia: en 1959 el genial físico norteamericano Richard Feynman impartío una  charla visionaria sobre un campo de investigación que entonces no existía y que hoy llamamos nanociencia.  Feynman predijo  que sería posible  guardar una  cantidad descomunal de información en un espacio reducido  si fuésemos capaces de desarrollar la tecnología para  leer y a escribir la información a pequeña escala.

En su charla,   titulada "hay mucho sitio al fondo" (There is plenty of Room at the Bottom), Feynman se preguntó si sería posible almacenar toda la enciclopedia británica en la cabeza de un alfiler.  Para ello el tamaño de cada letra debería ser 25 mil veces menor que el de la letra impresa en un periódico. Así, los pequeños puntitos de los con los que están escritas las letras deberían tener un diámetro de unos 32 átomos.

 Feynman fue más lejos, y dijo que "no temía considerar si,  finalmente, en el futuro lejano,  podríamos manipular los átomos a voluntad; los mismos átomos... ¿Qué pasaría si pudiéramos ordenar los átomos, uno a uno, en la forma que queramos?".  La invención del microscopio de efecto túnel por parte de Gerd Binnig y Heinrich Rohrer ,   hizo posible  observar y manipular los átomos, uno a uno. En 1989 Don Eigler y Erhard K. Schweizer construyeron la primera estructura artificial ensamblando átomos. Para ello, escribieron las letras "IBM", con 35 átomos de xenon depositados en una superficie de níquel.  Se llevaban a cabo dos de los sueños de Feynman: usar átomos individuales como pixels para escribir las letras, y "ordenar los átomos uno a uno".

A aquel experimento pionero le siguieron muchos otros,  demostrando la capacidad para fabricar pequeñas estructuras,  moviendo átomos de uno en uno con un microscopio de efecto túnel, encima de una superficie.  Dada la naturaleza del  método, relativamente  artesanal,  las estructuras más grandes así  fabricadas tienen menos de mil átomos,  la mayoría de las veces menos de 10, y nadie había escrito un texto mucho más largo que  "IBM".

A final de 2015  me contactó mi colega de TU Delft,  Sander Otte, para decirme que habían descubierto un sistema en el que era particularmente fácil manipular los átomos. Se trataba  de cloro depositado en  una  superficie  de cobre. En esta superficie,  los átomos de cloro se disponen  formando una red cuadrada. Sin embargo, esta red bi-dimensional  no es perfecta,  ya que en algunos sitios de la red faltan átomos.    Estas "vacantes" son particularmente estables. A diferencia de un átomo sobrante en una superficie, como los átomos de xenon en el níquel usados para escribir "IBM", que se mueven por la superficie  en cuanto ésta se calienta unos pocos grados por encima  del cero absoluto,  las vacantes de  cloro se quedan quietas durante horas incluso a temperaturas bastante mayores (77 Kelvin).   Por otro lado, el grupo de Sander descubrió  que era relativamente fácil mover a voluntad  las vacantes,  aplicándoles pulsos eléctricos con el microscopio de efecto túnel.  Tenían por tanto el sistema ideal para hacer grabados atómicos en una superficie. ¿Qué hacer con él?.

Mis colegas se dieron cuenta de que el sistema era perfecto para leer y escribir  "bits", la unidad básica de información digital.  Dada una pareja de sitios de la red cuadrada, en los que hay un átomo de cloro y una vacante, la posición de la vacante define un bit. Si está arriba, tenemos un '0', y si está abajo un '1'.    En la figura vemos  1 byte, o sea 8 bits,  construidos usando este principio,  separados por columnas con 2 átomos de cloro (puntos azul claro).

Así, en lugar de grabar letras, podíamos grabar información digital con una densidad (cantidad de bits por área) 500 veces mayor que la de los discos duros más avanzados.   Usando el código ascii, discutido  hace unos meses  en el  blog,  mis colegas de Delft se se propusieron escribir el primer kilobyte hecho con bits de tamaño atómico, es decir, 1016 bytes, o 8128 bits,  que en este caso quiere decir 8128 vacantes colocadas "en la forma que queramos".    La elección del texto más adecuado para escribir el primer kilobyte atómico constituyó nuestro pequeño homenaje a Feynman, extraído de There is plenty of Room at the Bottom:

"But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately – in the great future – we can arrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them (within reason, of course; you can't put them so that they are chemically unstable, for example).

Up to now, we have been content to dig in the ground to find minerals. We heat them and we do things on a large scale with them, and we hope to get a pure substance with just so much impurity, and so on. But we must always accept some atomic arrangement that nature gives us. We haven't got anything, say, with a "checkerboard" arrangement, with the impurity atoms exactly arranged 1,000 angstroms apart, or in some other particular pattern".

Escrito átomo a átomo, tiene esta pinta, donde cada bloque es un grupo de 8 bytes, o sea, 8 filas con 8 bits cada uno: 

Este trabajo ha sido publicado en la revista Nature Nanotechnology, y ha recibido una gran atención mediática ( The Economist, Wall Street Journal,  BBC, Der Spiegel,  El País,  El Mundo).   Quiero destacar aquí  los comentarios de dos  colegas y amigos.    Ramón Aguado, físico teórico del CSIC  nos felicitó por el "ZX81",  en alusión al  un antiquísimo ordenador personal con una memoria de 1 kilobyte, que cayó en mis manos alguna vez.  Ivan Brihuega ( profesor de la Universidad Autónoma de Madrid),  que hace sus propias maravillas con el microscopio de efecto túnel,  nos dijo que "Feynman habría llorado" al ver el experimento. 

Quiero creer que esta historia no termina aquí. El experimento del kilobyte atómico demuestra que es posible construir circuitos operativos  en el que las unidades funcionales son átomos.  Por supuesto,  esto  está lejos de ser una tecnología, pero  no puedo dejar de pensar en otra de las visiones de Feynman,  los ordenadores cuánticos.   Para fabricar uno, será necesario ensamblar un montón de unidades funcionales cuánticas, como por ejemplo, átomos.  La posición de los átomos de cloro es una variable clásica, con lo que nuestro kilobyte es totalmente "no cuántico" (clásico, en la jerga de los físicos). Por otro lado, si en lugar de átomos de Cloro pudiéramos hacer algo parecido con átomos magnéticos, cuyo spin se comporta cuánticamente,   podemos empezar a hacer ingeniería cuántica, átomo a átomo.   Parece muy complicado,  pero será fascinante intentarlo. 

El manifiesto cuántico: tecnologías cuánticas, la segunda revolución

Tras unos meses de parón, retomo el blog con un tema fascinante,  la llamada 'segunda revolución' en tecnologías cuánticas.     Esta revolución empezó a cocinarse hace más de 30 años,  y se basa en la provocadora idea  de que es posible  sacarle partido a las dos características más extrañas y contra-intuitivas de la física cuántica, la "coherencia" y el "entrelazamiento" (entanglement, en inglés).    Lo que os voy a contar ahora sería un gran guión para una película de ciencia ficción y de espías ,  pero  va totalmente en serio.

 La teoría cuántica nos dice que   un sistema físico puede estar en dos  estados  a la vez.  Por ejemplo, un electrón puede estar en dos átomos diferentes a la vez, y algo tan contraintuitivo es la piedra angular que nos permite entender  entender nada menos que el enlace químico que da lugar a  la formación de moléculas.   En la jerga de los físicos cuánticos, el electrón está en una "superposición lineal coherente" de estar en el átomo A y en el átomo B.   Por otro lado, cuanto mayor es un objeto, más difícil resulta conseguir que esté en dos sitios a la vez, de ahí que nosotros no podamos imtar a los electrones,  aprovechar este recurso de la naturaleza y estar a la vez durmiendo y trabajando.  Pero allá por el año 1982 , Richard Feynman,   uno de los héroes de este blog,   especuló sobre la posibilidad de usar las leyes de la física cuántica para hacer simulaciones con ordenadores.     Si un sistema puede estar en dos estados a la vez, quizá sería posible  concebir un bit que estuviese en 2 estados a la vez,  y un ordenador que hiciese muchos cálculos a la vez.  Con un ordenador normal, como el que estás usando para leer esto,   necesitamos dos procesadores para hacer dos cálculos a la vez.  En un ordenador cuántico, un único procesador podría hacer muchos cálculos a la vez,  gracias al 'paralelismo cuántico', término acuñado en 1984 por físico de Oxford,  David Deutsch.

Estas ideas  pasaron de ser especulaciones interesantes a una posibilidad que amenazaba la ciberseguridad mundial, cuando  en 1994 el profesor de matemática aplicada de  MIT  Peter Shor propuso un algoritmo  que  resolvía un problema que todos aprendemos a hacer en la escuela primaria, pero que resulta un ingrediente esencial en las técnicas convencionales de encriptado de información.   El problema en cuestión es la  factorización de números enteros como producto de números primos.  Por ejemplo, el puedo escribir mi edad, 45, como el producto de tres números primos,  45=3*3*5.   El concepto es sencillo, pero si le pedimos a un ordenador clásico que encuentre los dos números primos  cuya multiplicación es igual a este número de  309 dígitos,

13506641086599522334960321627880596993888147560566702752448514385152651060
 48595338339402871505719094417982072821644715513736804197039641917430464965
  89274256239341020864383202110372958725762358509643110564073501508187510676
  59462920556368552947521350085287941637732853390610975054433499981115005697
  7236890927563

el ordenador tardará muchos años en conseguirlo.    En cambio, si alguien nos proporciona esos dos números,  el ordenador apenas tardará unos microsegundos en hacer la multiplicación.   La asimetría  gigantesca en la dificultad  asociada a estas dos operaciones, factorizar y multiplicar, es la esencia de los algoritmos de encriptado  utilizados en una buena parte de las telecomunicaciones.    Pues bien, si alguien construye un ordenador cuántico e implementa el algoritmo de Shor,   el tiempo de cálculo se reducirá exponencialmente, con lo que en principio podrá descodificar fácilmente todas las comunicaciones que ahora creemos privadas. 

Así, hace más de 20 años se inició la carrera para construir un ordenador cuántico. La tarea es realmente difícil, porque requiere conseguir dos objetivos  contradictorios. Por un lado, cada uno de los elementos del ordenador cuántico, los bits cuánticos o qbits,  debe estar relativamente  aislados del resto del universo, para poder estar a la vez en el estado "0" y el "1".    Durante décadas hemos aprendido que los objetos cuánticos se comporta como si les diera vergüenza   estar en este estado coherente, o de "indecisión" cuántica. Así, si  no se sienten observados,   preservan la coherencia, es decir, están a la vez en dos estados físicos.  Por otro lado,  el ordenador es un objeto en el que centenares de bits cuánticos deben comunicarse unos con otros, y además,   al final del cálculo ha de ser posible leer su estado. Ambos requerimientos  hacen  difícil preservar la coherencia.

Otra forma de  comprender el desafío que supone  fabricar un ordenador cuántico es la siguiente:  los objetos que se comportan de forma cuántica son muy pequeños, átomos,  moléculas, fotones.   Hacer tecnología integrando dichos objetos es realmente difícil.  Por tanto,  no es tan sorprendente que la estrategia que está logrando grandes avances adopte  un enfoque diferente, usando anillos superconductores que se comportan como bits cuánticos a pesar de que son "enormes" (micras,  es decir, 10 mil veces más grandes que un átomo).   Para ello hay que enfriar estos sistemas a 10 o 15 milikelvin, es decir, una temperatura muy inferior a la del espacio exterior.

Uno de los principales impulsores de esta segunda revolución cuántica  es el fabricante del primer ordenador cuántico comercial, la  empresa privada, D-wave, radicada en Vancouver, Canadá.   Su director científico y co-fundador en 1999,  Eric Ladizinsky,   se refiere al proyecto que están llevando a cabo, como un "mini proyecto Manhattan", dada su complejidad y ambición.  D-wave se financia con fondos de inversores de riesgo, y ya han vendido su primer prototipo a la empresa de tecnología militar y aeroespacial Lockheed  Martin.     Algo fascinante de todo este asunto es que los expertos no se ponen de acuerdo sobre hasta qué punto se puede afirmar que los ordeandores de D-Wave son cuánticos, y en qué medida son más eficaces que los ordenadores clásicos.  De momento los ordenadores de D-wave tienen 512 bits cuánticos, o menos, a comparar con los miles de millones de bits clásicos de un móvil  o una tablet.    Además, los ordenadores cuánticos se programan para resolver problemas muy específicos,  para los que los ordenadores clásicos son muy ineficaces.

El hecho de que en los últimos dos años varios de los gigantes del negocio de la informática y la electrónica, como Intel, Google, IBM y Microsoft,  hayan anunciado fuertes inversiones para construir ordenadores cuánticos es un indicio de que todo este asunto va muy en serio. Eso han debido pensar varios investigadores europeos que han promovido el llamado manifiesto cuántico, solicitando que la Unión Europea lance un programa de inversiones en investigación para permitir que Europa no pierda la ola de la segunda revolución cuántica.    Hace unas pocas semanas IBM anunció que ponía a disposición de la comunidad su pequeño ordenador cuántico de 5 qbits,  de forma que es posible  usarlo remotamente, desde casa.  No hay nada más poderoso que una idea a la que le ha llegado su momento, y ese parece ser el caso de la segunda revolución cuántica.  

Las ondas gravitacionales, explicadas a mis padres

Si estás leyendo este blog, estás equipado con un sistema de detección  de ondas electromagnéticas,  tus ojos, y   de un par de detectores de  ondas acústicas,  tus oídos.   Pero, ¿qué es una onda?.  En inglés la palabra onda y la palabra ola son la misma, wave. Por tanto, los anglosajones ya tienen construida en su cerebro una imagen muy conveniente  de lo que es una onda: una perturbación que se propaga por el espacio.   Igual que una ola se propaga por la superficie del mar hacia la playa, una onda acústica es la propagación de una  perturbación que cambia la densidad y la presión del aire.   Y en el caso de la luz,  lo que se propaga es un campo electromagnético.

¿Qué tienen que ver las ondas con   la gravedad?. La gravedad es la fuerza que nos mantiene pegados a la superficie de la tierra,  y que a su vez mantiene a la tierra orbitando en torno al sol. ¿Qué tiene que ver esto con las ondas?.  Aquí es donde entra Einstein, y su teoría general de la relatividad, formulada en 1915.   En aquella teoría,  Einstein propuso que  más que atraerse unos a otros, las masas deforman el espacio-tiempo. El espacio-tiempo sería como la superficie de un globo o como una alfombra, que puede cambiar de forma. Por tanto,  en la teoría de Einstein de la gravedad, los cuerpos con masa deforman   espacio-tiempo  de manera complicada   y los objetos se mueven por el espacio curvo de una manera que es,  matemáticamente hablando,  "sencilla".

  La teoría de Einstein de la gravedad era mucho más que una reformulación  matemática de la teoría de Newton.  Por ejemplo,  si los cuerpos deforman el espacio, esto quiere decir que  la luz sería desviada por la acción de la gravedad, algo que la teoría gravitatoria de  Newton no preveía.  Esa predicción de la teoría de Einstein fue confirmada por los experimentos de la expedición de Eddington de 1919.   Además, usando la teoría de Einstein,  Schwarzschild describió en 1916 la existencia de objetos con tanta masa que podían atrapar la luz, los llamados agujeros negros.

Ese mismo año 1916 Einstein se dio  cuenta que su teoría de la relatividad  predecía la existencia de ondas, es decir, de perturbaciones que se propagan.  En este caso, la perturbación afecta al espacio-tiempo. Es decir, una onda gravitacional es una deformación en movimiento del espacio-tiempo.     De forma parecida a   las ondas electromagnéticas, que  son emitidas por cargas en movimiento acelerado,  las ondas electromagnéticas son emitidas por masas en movimiento acelerado. Por ejemplo, en su movimiento en torno al sol, la tierra emite ondas gravitatorias.  Afortunadamente para nosotros,  el sistema tierra-sol es astrofísicamente muy aburrido:  el ritmo al que la tierra emite ondas gravitatorias, y por tanto pierde energía y se acerca al sol,  es tan lento que tardamos mil años en acercarnos el equivalente al tamaño de un átomo.

En cambio,  existen sistemas ahí fuera en las que todo es mucho más violento. Así, en 1974 los físicos norteamericanos Taylor y Hulse descubrieron un sistema binario de estrellas,  el pulsar PSR B1913+16. Una de las estrellas giraba sobre si misma a un ritmo de 17 veces por segundo, pero el ritmo de giro variaba lentamente con el tiempo lo que delataba la presencia de la otra estrella.  Observaciones llevadas a cabo durante varios años permitieron inferir que el movimiento orbital de esta pareja de estrellas ha decaído al ritmo predicho por la teoría de Einstein para la radiación gravitatoria.  Por tanto,  una de las consecuencias de la existencia de ondas gravitatorias, la pérdida de energía debida a la emisión de radiación gravitatoria,  ya había sido confirmada experimentalmente, y le valió el premio Nobel a Taylor y Hulse en 1993.

Lo que iba a resultar mucho más difícil era medir una onda gravitatoria, es decir, percibir una modulación transitoria o provisional en la variación del espacio tiempo. Para hacernos una idea, durante su  tránsito por una cinta métrica, una onda gravitatoria hace que  un metro deje de medir un metro, provisionalmente.   ¿Cómo detectar algo así?.  Además, el problema es que la magnitud de las deformaciones del espacio tiempo que generan las ondas gravitatorias es muy pequeña, debido a que las fuentes más potentes de ondas gravitatorias están muy lejos de nosotros, y como ocurre con otras ondas, la amplitud de una onda gravitatoria decae a medida que se aleja de la fuente.

Durante las últimas 3 décadas un equipo internacional de físicos, inicialmente liderados por el físico teórico norteamericano Kip Thorne, de la universidad de Caltech, en Pasadena,  la misma en la que pasó sus últimas décadas Feynman,   ha puesto en marcha un espectacular experimento para cazar esta pequeñísima perturbación transitoria del espacio tiempo.  El LIGO,  Laser Interferometry Graviational-wave Observatory, es realmente una red de observatorios,  cada uno de ellos de varios kilómetros,  y situados en a miles de km de distancia entre si. Ambas instalaciones tienen un gigantesco interferómetro, que es un aparato  en el que un haz de luz laser transita por un circuito en forma de L, con 4 kilómetros de lado en cada pata.  A su paso por cada detector, una onda gravitatoria dilataría un brazo de la "L" y contraería el otro brazo, lo cuál cambiaría el recorrido de la luz laser, dando lugar a una modulación en su intensidad. Este esquema ha recibido sucesivos refinamientos durante varias décadas para lograr medir una variación relativa en la longitud del una milésima de trillonésima (10^-21).  Para hacernos una idea, la precisión de esta medida es el equivalente a medir la distancia de aquí al sol y equivocarse solo en  un átomo.

El 15 de septiembre de 2015  dos de los observatorios  del LIGO, en los estados de Washington y de Louisiana, a miles de kilómetros de distancia, detectaron una señal idéntica a la que según complicados cálculos usando la teoría de Einstein tendría que producir la colisión de dos agujeros negros, ocurrida hace mil doscientos millones de años.  El equivalente gravitatorio al sonido de aquella explosión se ha propagado por el universo durante un 10% de la historia cósmica,  mucho antes de que los dinosaurios pisaran la faz de la tierra, para pasar durante una escasa décima de segundo, y  seguir su camino hacia los confines del universo.  Ha sido  un instante  fugaz en  los detectores,  pero un gran paso para la humanidad.   Con  esta primera observación, los científicos del LIGO han detectado por primera vez la colisión entre dos agujeros negros, demostrando así que tenemos una nueva herramienta para explorar  eventos que ocurrieron la noche de los tiempos, lo cuál explica parte de la excitación que se ha hecho patente estos días en los medios.  Otro día os seguiré contando el fascinante conjunto de   innovaciones tecnológicas, muchas en el  ámbito de la física del estado sólido, que han hecho posible la medida más precisa de la historia.

La revolución "spintrónica": el vídeo

En la entrada de hoy os invito a ver el siguiente video que hemos preparado en SPINOGRAPH.

Bits y bytes: aprende en 5 minutos el idioma de los ordenadores

Esta entrada va dedicada a esa gran mayoría que usa ordenadores, teléfonos inteligentes y otras maravillas y no ha recibido un curso de electrónica.  Todo el mundo sabe que la capacidad de almacenar información se mide en bytes. Así, una tarjeta de memoria para el móvil o la cámara puede tener 16 Gigabytes,  o sea,  dieciséis mil millones de bytes.    ¿Y qué es un byte?.  Un byte son ocho bits, con lo que lo que voy a intentar explicar   qué  es un bit y cómo se usa para almacenar información. Allá vamos.

Para escribir un texto en español usamos  27 letras,  además de  números y signos. En otros sistemas, como el chino y el coreano, tienen un número diferente de símbolos.  ¿Cuál sería el número mínimo de símbolos que podemos usar para almacenar un texto?.   Por ejemplo, la vida se las ingenia para almacenar la información en un código genético de 4 letras (ACGT) .  ¿Existe un código que permita  almacenar información con menos letras? La respuesta es si: el llamado código binario usa únicamente dos letras, o bits, que son el "0" y "1".

¿Cómo se "escribe" un texto en binario?.    Por ejemplo, en binario  el texto  "¿Cuánto son 2+2?"  quedaría  así:
  
101111110100001101110101 11100001011001000111010001101111001000000111001101101111011001000010000000110010001010110011001000111111

Pero, ¿cómo hemos llegado de un texto normal a   esta lista de ceros y unos?.  Hay que hacerlo en dos etapas.   Primera: hay que convertir el  texto "¿cuánto son 2+2?"  en una lista de  números.  Para ello, se usa el llamado código ASCII, "American Standard Code of Information Interexchange", que asigna a cada letra, número, y símbolo, un número entre el 0 y el 255.      Para que os hagáis una idea, muestro aquí  un trozo de la tabla de conversión.

  Así, con esta tabla podemos convertir el texto de 16 símbolos

"¿Cuánto son 2+2?" (contando espacios) en  números entre el 0 y el 255: 

191 67 117 225 110 116 111 32 115 111 110 32 50 43 50 63

¿     c    u     á     n     t     o     _    s     o       n    _   2    +   2   ?

En la segunda etapa, convertimos los números del "sistema decimal" del código ASCII  ( "191",  "67",  "225", ...)   a números binarios.    Esto funciona así.  En decimal, tenemos 10 dígitos, del 0 al 9.  Si queremos expresar un número mayor que 9, tenemos que usar 2 dígitos. Y si queremos expresar un número mayor que 999, 3 dígitos, etcétera.

En binario, hay dos bits, "0" y "1".  Si  queremos expresar un número mayor que 1, tenemos que usar dos "bits" .





DECIMAL    BINARIO
0                     0
1                     1
2                     10
3                     11
                                                     
Si queremos ir más allá de (0,1,2,3), o sea, más allá de 4 posibilidades, tenemos que usar 3 "bits" y para seguir, 4 "bits",  etcétera:

DECIMAL    BINARIO
4                     100
5                     101
6                     110
7                     111
8                     1000
9                     1001

10                   1010
11                   1011
12                   1100

13                   1101

14                   1110

15                   1111
16                   10000

 O sea, que para contar del 0 al 7,  que son  8 números, hacen falta 3 bits y para contar hasta 15 hacen falta 4 bits, y así sucesivamente.   

Ahora podemos ver por qué es especial un byte, o sea, 8 bits. Con 8 bits tenemos 256 combinaciones, es decir   2 elevado a 8, que permiten contar de 0 a 255 .   Como ya hemos dicho, el código ASCII tiene exactamente 256 entradas.  Es decir, que cada entrada del código ASCII se puede convertir en un número binario de 8 bits, o sea, en un byte.  Por tanto,  el  texto "¿cuánto son 2+2+?" se puede escribir así: 

TEXTO    ASCII     BINARIO

¿                197         10111111

c                  67         01000011

u                117         01110101
á                 225        11100001

n                 110        01100100

t                  116        01110100

o                 111        01101111

espacio        32         00100000

s                  115        01110011

o                 111        01101111

n                 110        01100100

espacio        32         00100000

2                  50         00110010

+                  43         00101011

2                  50         00110010

?                  63         00111111

Aunque a los humanos  el lenguaje binario nos resulte incómodo,   para fabricar ordenadores,   es muy conveniente.   Para almacenar información usando el código binario,  podemos usar cualquier cosa que tenga  dos estados posibles.  Por ejemplo, una bombilla encendida o apagada, nos serviría para tener un bit, y 8 bombillas nos permitirían tener un byte.   Dentro de tu ordenador hay, literalmente, miles de millones de interruptores  que pueden estar "encendidos" o "apagados" y por tanto cada uno de ellos es un "bit". En su realización física más sencilla, un "bit" es  un componente electrónico  que está constituido por  un  único  "transistor",  el dispositivo  semiconductor inventado en 1947 por Bardeen, Brattain y Shockley.  

Volvamos al principio.    En una tarjeta de memoria  de 16 Gbytes, es decir,  16 mil millones de bytes,  tenemos  128 mil millones de bits.   En el caso de la tarjeta de la figura, este número gigantesco  de "bits" tiene que caber en un área de unos  2cm x 2cm.   Dos  centímetros  son  igual a  20 millones (20M)  de nanometros (nm).   Así,   una tarjeta tiene unos  20M nm x  20M nm,  o sea, 400 billones de nanometros cuadrados.  Repartiendo bits por nanometros cuadrados,  cada bit dispone de un área de 4000 nanometros cuadrados, que  nos da  un región cuadrada de 63 nm  de lado.     Por eso  hablamos de nanoelectrónica.  Por tanto, los ingenieros y los físicos tienen que ser capaces de hacer bits de ese tamaño,  de poner billones de ellos juntos, de diseñar métodos para leer y escribir esos bits,  y de hacerlo de manera tan eficiente que puedan vender estas maravillas a 8 euros.   La física del estado sólido que hace esto posible tiene mucho que ver con este milagro tecnológico, del que seguiré hablando otro día.

So close and such a stranger: un documental sobre la física de la materia condensada

Dado su interés y total sintonía con el espíritu de este blog,  la primera entrada de 2016 no podía ser otra que el vídeo maravilloso que han hecho Elsa Prada, Isabel Guillamón y Enrique Sahagun,  como parte de su proyecto "So close".   Me quito el sombrero.