ENTORNO TECNOLOGICO
Cómo construir una computadora cuántica
La computación está a punto de encontrarse con un problema. En cada nueva generación los componentes son más pequeños que en la precedente, y la velocidad a la que avanza la miniaturización significa que en el curso de los próximos 15 años o poco más se llegará a un límite fundamental. En ese punto no sólo aparecen los extraños efectos de la mecánica cuántica, sino que los propios componentes estarán en la escala de los átomos y ya no será posible reducirlos más. Por eso científicos e ingenieros buscan nuevas formas de construir computadoras.
Una ruta que exploran, que se examinó en una reunión realizada recientemente en la Real Sociedad de Londres, se llama computación cuántica. En vez de tratar de vencer la rareza cuántica, esta técnica la asume y la explota.
Lo que distingue una computadora cuántica de las que se usan actualmente es el número de cálculos que puede hacer en paralelo. Ambas usan aritmética binaria, pero en formas bastante distintas. Una computadora clásica emplea bits -dígitos binarios, cero o uno- para procesar y almacenar información. Pero un bit debe ser una cosa u otra, no las dos al mismo tiempo. Una computadora cuántica no sufre de esa restricción.
La teoría cuántica permite que las partículas subatómicas existan en más de un estado a la vez, fenómeno conocido como superposición. Un electrón, por ejemplo, tiene una propiedad llamada espín (del inglés spin), o giro, que puede estar "arriba" o "abajo", o en una extraña combinación de ambos. Usar el espín de un electrón para representar un bit de datos le permitiría estar arriba y abajo (es decir, cero y uno) al mismo tiempo. En vez de ser un bit sería, según la jerga, un qubit.
A diferencia de un bit, un qubit puede -al menos en teoría, y si puede escribirse el programa en forma correcta- usarse en más de un cálculo a la vez. Y si se añaden qubits, el proceso crece en progresión geométrica. Una computadora cuántica de dos qubits podría realizar cuatro cálculos en paralelo; una de 20 qubits, más de un millón. Un aparato de mil qubits podría procesar más cálculos simultáneos que el número de partículas existentes en el universo observable.
Es esta multiplicación geométrica la que hace tan portentoso el potencial de la computación cuántica. Aparte de acabar con el problema de la miniaturización, permitiría crear, según sus proponentes, computadoras capaces de superar en forma abrumadora a las máquinas actuales. Podrían realizar cálculos mucho más aprisa y también resolver problemas hoy imposibles. Incluso podrían abrir la vía a aplicaciones que hoy apenas pueden imaginarse, según Lov Grover, de Lucent Technologies, empresa que realiza investigaciones en ese campo.
Todo ello, claro, siempre y cuando se pueda hacer. Hasta ahora sólo se han probado dispositivos pequeños, y muchos necesitan mantenerse en condiciones estrictamente definidas. Una razón de esta sensibilidad es que los qubits pueden mantener su superposición cuántica sólo si no interactúan con otros objetos. Es decir, deben estar aislados. Andrew Briggs, científico en nanomateriales de la Universidad de Oxford, es miembro de un equipo internacional que trabaja en este problema. En la reunión de la Real Sociedad comentó que su equipo logró atrapar un átomo de nitrógeno en una esfera formada por 60 átomos de carbono, conocida como buckyball, y usar sus electrones como un solo bit.
La molécula resultante mantuvo el qubit en superposición durante 500 nanosegundos, más que cualquier otro sistema molecular en estudio. Por desgracia, sigue siendo un tiempo demasiado breve (500 mil millonésimos de segundo, para ser exactos), que no permite realizar un cálculo. Para inducir una superposición que durara un poco más, el equipo golpeó repetidas veces el qubit con un pulso de microondas, técnica conocida como bang bang, la cual interrumpe cualquier interacción entre el qubit y su entorno, y mantiene la superposición un poco más.
Hasta aquí, todo bien. Utilizar buckyballs para aislar qubits puede resultar particularmente útil, porque también podrían atraparse átomos de otros elementos además del nitrógeno, lo cual abre la posibilidad de encontrar materiales más apropiados para usarse como qubits, y emplear otras propiedades aparte del espín de sus electrones para crear superposición. Sin embargo, el trabajo sigue en la escala de un solo qubit, a muchos años de poder darle uso comercial.
Un segundo enfoque, adoptado por un equipo en el que participa David Williams, quien trabaja en el laboratorio de investigación de Hitachi en Cambridge (Inglaterra), podría estar más cerca de la utilidad. El equipo del doctor Williams quiere emplear los chips de silicio existentes para hacer computadoras cuánticas, lo cual tiene la ventaja de ser una tecnología probada. La idea es manufacturar "puntos cuánticos" -burbujas minúsculas de material que actuarían como qubits- en la superficie de los chips. Los puntos serían manipulados por estructuras de mayor escala para crear algo parecido a una computadora de verdad, más que una curiosidad de laboratorio. De hecho, ya todos los elementos de un qubit semiconductor se han producido en el laboratorio, y algunos incluso se han puesto a funcionar juntos. Sin embargo, aún no se prueba un circuito completo.
Una tercera forma de crear una computadora cuántica emplea como qubits iones (átomos con carga eléctrica) atrapados por ondas electromagnéticas oscilatorias. Muchos grupos trabajan en esta idea. El año pasado, por ejemplo, un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan construyó un chip semiconductor que funcionaba como trampa de iones. Tales dispositivos son construidos por técnicas litográficas comunes, lo cual los hace una forma atractiva de fabricar verdaderas computadoras cuánticas.
Sin embargo, aferrarse a métodos probados podría no ser el enfoque correcto. Después de todo, no fue la tecnología prexistente de válvulas la que dio viabilidad a las primeras computadoras digitales, sino una nueva y en un principio temperamental invención llamada transistor. Desarrollar tecnología existente para usarla en computadoras cuánticas podría resultar igualmente erróneo. En este contexto, una forma de materia de descubrimiento relativamente reciente, llamada condensado de Bose-Einstein, podría señalar la ruta hacia delante.
En un condensado de Bose-Einstein, los átomos son tan fríos que todos caen en su estado cuántico más bajo. Eso significa que, en términos cuánticos, son idénticos. Y eso a su vez quiere decir que actúan como un solo objeto cuántico, ideal para convertirlo en un qubit, si es que puede resolverse la pequeña dificultad de mantenerlos a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Varios grupos trabajan en este problema, entre ellos uno encabezado por Ed Hinds, del Imperial College de Londres. El doctor Hinds hace sus condensados bombardeando los átomos con rayos láser especialmente ajustados, lo cual los obliga a emitir energía y liberar calor, y a la larga los enfría en una uniformidad cuántica que puede ser atrapada por un campo magnético.
Lo que ocurre después no está claro. El doctor Hinds no ha encontrado aún cómo comunicarse con este qubit recién creado. Tampoco es seguro que los condensados de Bose-Einstein sean los próximos transistores. Pero la computación cuántica parece estar ganando impulso propio. Démosle unos 15 años, y quién sabe qué resultará.
Traducción: Jorge Anaya