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Ciencia

Atomos para calcular

Físicos brasileños ingresan a la carrera mundial para construir la computadora cuántica

Al menos en la cabeza de los físicos, se está empezando a armar un nuevo tipo de computadora, capaz de realizar en minutos cálculos que las más rápidas supercomputadoras existentes hoy en día tardarían miles de millones de años para hacer. Es la computadora cuántica, así llamada debido a que funcionará de una manera completamente diferente que las computadoras comunes, pues seguirá las leyes de la mecánica cuántica, la parte de la física que explica los fenómenos que suceden en el mundo de los átomos, que muchas veces escapan al sentido común. Pese a que nadie sabe a ciencia cierta cuál será la apariencia de esa computadora, posiblemente tendrá monitor, teclado y mouse, tal como las actuales.

Pero la modificación más notable estará en su procesador: en lugar de tener chips (circuitos integrados) de silicio, con millones de transistores, contendría algunas decenas de átomos. Al principio, el interés por construir una computadora cuántica era tan solo académico: los físicos querían verificar la posibilidad de efectuar operaciones lógicas con base en las propiedades de los átomos, y comprobar las previsiones de la mecánica cuántica.

Pero la capacidad de cálculo de tales computadoras – teóricamente infinita, pues se duplica con cada átomo que se añade al procesador – abrió la perspectiva de aplicaciones estratégicas: la computadora cuántica podría abrir los códigos de seguridad que protegen las transacciones bancarias, y también el sistema de defensa de las naciones.

Para evitar desastres de tal magnitud, ocasionados por el descubrimiento de esos códigos, hasta el Departamento de Defensa en países como Estados Unidos financia estudios para desarrollar un artefacto de esta naturaleza. Por eso, en los días actuales la búsqueda del control de las propiedades intrínsecas de los átomos y de las moléculas no se restringe a las universidades. Gigantes de la informática, tales como IBM, Microsoft y Hewlett Packard, invierten pesado en investigaciones en el área, con la mira puesta en el mercado de microprocesadores y memorias, que mueve 100 mil millones de dólares anuales.

Pero han de pasar algunos años, o quizás algunas décadas, hasta que una computadora que funcione con base en las propiedades de las partículas atómicas llegue a los comercios. El estadio actual de desarrollo de la computación cuántica sería equivalente al de la elección del material que se utilizará para construir la fundación de un edificio. Los físicos intentan descubrir una alternativa más viable que sirva como base para la elaboración del ordenador cuántico: átomos prisioneros en trampas magnéticas, núcleos atómicos sometidos a campos magnéticos, electrones capturados en pequeñas pirámides (puntos cuánticos) o incluso corpúsculos de luz (fotones).

Es un estadio comparable al de los años 50, en los albores de la computación, con la invención del transistor, que reemplazaría a las válvulas electrónicas. Pese a que es probable que la primera computadora cuántica salga de algún laboratorio estadounidense, en vista de las pesadas inversiones con las que los investigadores de dicho país cuentan, Brasil no se ha quedado afuera de la disputa. Desde el comienzo de los estudios en el área, ha habido contribuciones importantes en el país.

Antes incluso de que hubiera referencia alguna al ordenador cuántico, a comienzos de los años 80, Amir Caldeira, de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), demostraba que algunos sistemas cuánticos en escala atómica – o incluso que se comportan como átomos gigantes – perdían energía en favor del ambiente que los circunda. Este fenómeno, denominado disipación cuántica, está asociado a otro, llamado decoherencia, que ocasiona un efecto indeseable: la pérdida de la información cuántica antes de que ésta pueda ser interpretada.

En la actualidad, físicos de Minas Gerais y de Río de Janeiro trabajan en conjunto estudiando un tercer tipo de computadora, denominada semicuántica, que reúne características del ordenador clásico y del cuántico, y que sortearía algunas dificultades técnicas. “Confiamos en que será más rápida que la computadora común, y más lenta que la computadora cuántica”, dice Carlos Monken, físico de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) y coordinador del equipo.

Pero efectivamente, el salto dado por las investigaciones en el área en el Brasil se registró con la creación del Instituto del Milenio de InformaciónCuántica en 2001. Dicho Instituto, mantenido por el Ministerio de Ciencia y Tecnología, cuenta con un presupuesto de 5,2 millones de reales, y reúne a equipos de Río de Janeiro, Alagoas, Minas Gerais, São Paulo y Pernambuco. Su coordinador, Luiz Davidovich, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), investiga las propiedades de los átomos y los fotones aprisionados en cavidades formadas por espejos y producidos en forma enmarañada, interconectados por una especie de propiedad telepática: todo lo que ocurre con una partícula afecta a otra.

Con base en esas partículas gemelas, el grupo de la UFRJ propuso el primer experimento de transferencia de estado de una partícula a otra distante, el llamado teletransporte cuántico, que se volvió célebre en la serie de ciencia ficción Viaje a las Estrellas. En un artículo publicado en 2001 en Physical Review Letters, que mereció un comentario en Nature , los físicos de Río de Janeiro demostraron que es posible proteger al estado cuántico de un átomo contra la decoherencia en una trampa magnética. Ésa es una de las opciones pensadas para los prototipos de computadoras cuánticas.

El secreto del desempeño de este tipo de computadora está en la forma de manipular la unidad de información, o bit. En la computadora común – o clásica -, los bits son registrados por los transistores, los minúsculos dispositivos que integran un circuito electrónico, que dejan pasar o impiden el paso de una señal eléctrica y componen el procesador y los chips de memoria. Al ejecutar un comando, la computadora clásica asocia a cada bit tan solo un valor entre dos posibles: 0 ó 1. Como cada transistor interpreta solamente un bit por vez, y el número de transistores existente en un chip es limitado – un procesador Pentium 4, por ejemplo, tiene 40 millones de transistores -, la capacidad de cálculo de las computadoras actuales es limitada, tal como recuerda Iuri Pêpe, del Laboratorio de Propiedades Ópticas de la Universidad Federal de Bahía (UFBA).

En el mundo de las partículas atómicas – alrededor de cien mil veces menores que un transistor -, esa relación no es de exclusión, sino de superposición. Por extraño que parezca, el bit cuántico – o qubit, según su abreviatura en inglés -, en lugar de asumir apenas un valor u otro (0 ó 1), puede representar a los infinitos valores existentes entre 0 y 1, y el 0 y el 1 inclusive. Todos al mismo tiempo. Es una propiedad de las partículas atómicas conocida como superposición de estados cuánticos, que ha de regir el funcionamiento de las nuevas máquinas.Esa superposición de estados permite que cada qubit manipule infinitas informaciones simultáneamente, como si éstas fueran innumerables computadoras comunes actuando al mismo tiempo en un cálculo, lo que le aseguraría a la computadora cuántica una superioridad de procesamiento inigualable.

Pues bien, eso es al menos en teoría, porque la superposición de estados también genera una dificultad. Otra regla de la mecánica cuántica – el principio de incertidumbre, según el cual es imposible conocer la posición y la velocidad de una partícula al mismo tiempo – impide que se sepan todos los valores que los qubits pueden asumir de una sola vez al hacer una cuenta cualquiera. La teoría indica que la computadora se comportará en forma cuántica a la hora de procesar la información, y clásicamente al suministrar el resultado de las operaciones. Pero ¿existiría entonces alguna ventaja en construir una computadora de este tipo?

La respuesta a esta pregunta es sí, siempre y cuando se sepa cómo sacar partido de la superposición de estados cuánticos. Para ello los físicos operan con la probabilidad de obtener un resultado específico. Un ejemplo de esto: existen al menos dos maneras de descubrir a cuántas personas en un grupo de diez les gusta el helado de chocolate. En ambas maneras, cada entrevistado puede únicamente responder sí o no.

La primera manera, adoptada por la computadora actual, consiste en preguntarle a cada persona si le gusta el helado de chocolate. A continuación, se suman las respuestas y se obtiene el resultado final, con un total de 11 operaciones consecutivas (diez preguntas y la suma final). La computadora cuántica logra responder a esta cuestión en una sola operación, siempre y cuando lo que se desee saber sea no cada respuesta individual, sino cuál sería el porcentaje de éstas que respondería afirmativamente ante tal indagación. “El secreto reside en hacerle a la computadora preguntas diferentes, de una manera más inteligente”, explica el físico Reinaldo Oliveira Vianna, da UFMG.

Prototipos
Aquello que más se aproxima a una computadora cuántica se encuentra actualmente en los laboratorios de física experimental de universidades estadounidenses, europeas e incluso brasileñas – como en los casos de la UFMG, la UFRJ y la Universidad de São Paulo (USP). Así y todo, los equipamientos construidos son apenas prototipos primitivos, que realizan operaciones bastante sencillas, como el cálculo de los divisores del número 15 ó una búsqueda en un banco de datos compuesto solamente por ocho items.

Pero éste es tan solo el comienzo, lógicamente. “No existe ningún obstáculo físico para la concreción de la computación cuántica en gran escala”, asegura Ivan Oliveira, investigador del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF) de Río de Janeiro. “Esa computadora será construida. Es una cuestión de tiempo y de inversión”. Oliveira, junto a físicos de la USP y de la Universidad Federal de Espírito Santo (UFES), utiliza la resonancia magnética nuclear, la misma técnica que produce imágenes del cuerpo humano, para hacer operaciones lógicas básicas (sumas, divisiones y multiplicaciones) con núcleos atómicos.

Pero hasta los físicos han llegado a dudar de esa idea de utilizar átomos y moléculas para operar con información. En 1959, el estadounidense Richard Feynman (1918-1988, Premio Nobel en 1965) sintió en carne propia el escepticismo de sus colegas al plantear tal posibilidad. El descrédito perduró hasta 1973, cuando el químico Charles Bennett, de IBM, demostró la posibilidad de realizar operaciones lógicas reversibles – precisamente lo opuesto a lo que sucede en las computadoras actuales, en las cuales los bits utilizados en un determinado cálculo se deshacen. Casi diez años más tarde, Paul Benioff, del Laboratorio Nacional Argonne, de Estados Unidos, formuló el primer modelo de computadora cuántica, capaz de ejecutar dichas operaciones reversibles.

Pero recién en 1994 este tema cobró importancia estratégica. Fue cuando Peter Shor, un científico de AT&T, formuló un proceso de cálculo que permitiría a una computadora cuántica revelar los componentes de números de miles de dígitos en menos pasos y más rápido que una computadora clásica (el número 15, por ejemplo, puede descomponerse en 3 y 5). Este malabarismo con los números es la base de los sistemas de protección de datos implementados por los bancos brasileños, que mueven entre 2,5 y 6 billones de reales por mes como producto de entre 50 mil y 80 mil transacciones codificadas. “Una computadora cuántica quizás tenga un poder de procesamiento que permita romper ese código en el transcurso de un día y no de un año”, comenta Maurício Ghetler, director de tecnología del Banco Santos. “Pero ésa no es la única protección del sistema, y en el momento en que un equipamiento de este tipo esté disponible, el sistema financiero utilizará otras formas de protección.”

Más tarde, el físico Lov Grover, de Laboratorios Bell, propuso un procedimiento matemático que permitiría a la computadora cuántica realizar búsquedas en un banco de datos de una manera que se torna más eficiente a medida en que aumenta el tamaño del banco de datos. De acuerdo con este método de cálculo, conocido como algoritmo de Grover, mientras que una computadora común debe realizar dos operaciones promedio para llevar a cabo una búsqueda en un banco de datos de cuatro fichas, la computadora cuántica necesita hacer tan solo un paso. Para una consulta a un archivo de 16 fichas, una computadora clásica haría en promedio ocho búsquedas, y el ordenador cuántico, cuatro.

Los descubrimientos de Shor y Grover dieron impulso a los estudios en el área – el número de publicaciones sobre el tema aumentó incluso en revistas científicas más generales. En un artículo en Nature, por ejemplo, Daniel Gottesman, del Laboratorio Nacional Los Alamos, y Isaac Chuang, de IBM, demostraron que otra propiedad de la mecánica cuántica, el teletransporte, permitiría construir una computadora cuántica con la tecnología actual. Chuang ya había revelado que sería factible manipular el alineamiento de los núcleos atómicos con relación a un campo magnético.

Tal como sucede con la aguja de una brújula, algunos núcleos atómicos presentan magnetismo – bastaría con que fueran controlados mediante resonancia magnética nuclear. En enero de este año, Chuang comprobó en Nature otro proceso de cálculo, que indica si una moneda es verdadera (un lado es cara y el otro cruz) o falsa (tiene dos caras o dos cruces), viendo tan solo uno de sus lados. Cualquier persona necesita observar ambas caras de una moneda para dar una respuesta mínimamente confiable.

Pero una cuestión todavía inquieta a los investigadores: en la práctica, ¿el procesamiento de los cálculos hechos por una computadora cuántica sería realmente más rápido que en la clásica? Para saberlo sería necesario construir un equipo con algunas decenas de qubits que se aproximase a un prototipo de una computadora cuántica real. No sería preciso que fuera muy grande. Una computadora de este tipo, de alrededor de 300 qubits, sería capaz de manipular más estados cuánticos que el número de átomos del Universo: el equivalente al número 1 seguido de 80 ceros.

Para Reinaldo Oliveira Vianna, de la UFMG, los experimentos llevados a cabo hasta el momento, con cerca de 7 qubits, no son suficientes para mostrar que el método cuántico para hacer cuentas sería más rápido. “La preparación de los datos en forma de qubits puede ser lenta, pues aún es complicado producir centenas de qubits”, explica el físico. “Solamente será posible descubrir si la computadora cuántica es efectivamente más ágil cuando se construya una.”

La versión de Minas Gerais
Como aún no se ha logrado superar la barrera de la decena de qubits en la computadora cuántica, Vianna, Carlos Monken y Sebastião Pádua, de la UFMG, junto con Paulo Henrique Souto Ribeiro, de la UFRJ, todos ligados al Instituto del Milenio, estudian una alternativa que parece ser más sencilla. Es la computadora semicuántica, inspirada en un modelo propuesto por Jeffrey Yepez, del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de Estados Unidos. Este equipamiento híbrido efectúa el procesamiento de informaciones de manera cuántica, por medio de fotones, y almacena los resultados en un chip de memoria clásico. Sería más rápido que la computadora clásica, debido aque requiere menos qubits para procesar una misma cantidad de información, tal como lo han demostrado los cálculos hechos por el equipo de Minas Gerais.

El grupo de Monken hizo otro progreso en la forma de almacenar la información en la computadora cuántica. Normalmente se asocia la unidad de información con la dirección de vibración (polarización) de los fotones, corpúsculos de luz que se comportan como ondas electromagnéticas que vibran en el espacio, como cuerdas al ser agitadas. El equipo de la UFMG logró asociar a la polarización de la luz, horizontal o vertical, otra característica: la forma espacial del fotón. Al hacer que el corpúsculo de luz atraviese un cristal especial, los físicos lograron dividirlo en dos, que a su vez se propagan paralelamente, alineados en la horizontal o en la vertical. Así, codificaron en un solo fotón, no un qubit, sino dos: uno en la dirección de polarización y otro en el alineamiento espacial, tal como aparecerá en el artículo que será publicado en Physical Review Letters.

En el Instituto de Física de São Carlos de la USP, el equipo de Tito Bonagamba se encuentra abocado a la búsqueda de una forma de superar la pérdida de información cuántica (decoherencia) durante el procesamiento de los datos con resonancia magnética nuclear. En experimentos llevados a cabo con cristal líquido, realizados conjuntamente con Ivan Oliveira, Roberto Sarthour y Alberto Passos Guimarães Filho, del CBPF, y Jair Checon de Freitas, de la UFES, Bonagamba describió con precisión el tiempo de decoherencia de la información cuántica: un qubit es capaz de almacenarla hasta por 15 milésimas de segundo. Ahora el equipo está planteando nuevas maneras de efectuar experimentos más rápidos, o de preservar la información durante más tiempo, para garantizar así la posibilidad de hacer cálculos complejos.

Antonio Vidiella-Barranco y José Antonio Roversi, de la Unicamp, trabajan de una forma diferente: manejan la información con fotones y iones (átomos con carga eléctrica) prisioneros en cavidades formadas por espejos. En Physics Letters A, en julio de 2001, ellos demostraron que era posible realizar operaciones lógicas con ese sistema. “Propusimos una alternativa que implica un sistema más robusto para almacenar la información (la vibración de los iones), asociado a la luz, que es buena para transmitir datos”, dice Barranco. En otro trabajo apuntaron que es posible recuperar la información original aun después de que ésta se ha perdido como resultado de la decoherencia. Al lanzar un haz de luz sobre otro prisionero en la cavidad, los investigadores desarrollaron una estructura en la que todo sucede como si las operaciones pudieran ocurrir con el tiempo congelado.

Pirámides
A causa de la dificultad para controlar la coherencia de un número suficiente de qubits que una computadora cuántica capaz de funcionar en sistemas que utilizan fotones o resonancia magnética nuclear debe tener, algunos físicos sostienen que la alternativa más prometedora son los iones aprisionados. Pero el ingeniero electricista Gilberto Medeiros Ribeiro, del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) de Campinas, no está de acuerdo.

Para Medeiros, la forma final de un procesador cuántico será algún tipo de semiconductor, como ocurrió con las computadoras actuales. “La computadora actual comenzó con válvulas, y después migró hacia los semiconductores”, dice Ribeiro, que produce estructuras centenas de veces menores que los transistores: los puntos cuánticos, pirámides de 20 nanómetros de base y 3 nanómetros de altura – el nanómetro es la millonésima parte del milímetro. En el interior de éstas, se aprisiona un electrón único, con el objetivo de controlar su sentido de rotación, o spin, para realizar operaciones lógicas.

Ribeiro ya ha demostrado que es posible controlar el número de electrones prisioneros en los puntos cuánticos de arsenuro de indio, un material semiconductor que forma islotes sobre el arsenuro de galio. En un artículo que será publicado en Physical Review Letters, Ribeiro sugiere cómo prever la distribución y el tamaño de los puntos cuánticos en otro material semiconductor: el germanio depositado sobre silicio. En estos momentos, Ribeiro y Harry Westfahl, del LNLS, y Amir Caldeira, de la Unicamp, estudian el tiempo de decoherencia de la información almacenada en el spin de electrones en los puntos cuánticos, con el apoyo de HP de Brasil. Realmente, no será fácil llegar a la computadora cuántica, pero lo que se aprenderá en el camino con seguridad hará que haya valido la pena el esfuerzo.

Los Proyectos

MINAS GERAIS
Desarrollo de Algoritmos Cuánticos
Coordinador
Carlos Henrique Monken – UFMG
Inversión
R$ 631.245,00 (CNPq/ MCT)

RÍO DE JANEIRO
Computación Cuántica por Resonancia Magnética Nuclear
Coordinador
Alberto Guimarães Passos Filho – CBPF
Inversión
R$ 7.200,00 (CNPq/ MCT)
Coordinador
Ivan dos Santos Oliveira Júnior — CBPF
Inversión
R$ 7.200,00 (CNPq/ MCT)
Instituto de Información Cuántica
Coordinador
Luiz Davidovich – UFRJ
Inversión
R$ 2.144.000,00 (CNPq/ MCT)

SÃO PAULO
Métodos No Perturbativos en Sistemas Electrónicos Correlacionados
Coordinador
Amir Ordacgi Caldeira – Unicamp
Inversión
R$ 80.657,74 (FAPESP)
Materiales Nanoestructurados Investigados por Microscopía de Tunelamiento y Fuerza Atómica
Coordinador
Gilberto Medeiros Ribeiro – LNLS
Inversión
R$ 501.136,62 (FAPESP)
Estudio de la Dinámica Lenta en Polímeros a través de RMN
Coordinador
Tito José Bonagamba – IFSC/ USP
Inversión
R$ 93.704,14 (FAPESP)