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Física

Tres pasos adelante

Los físicos de los estados de Minas Gerais y São Paulo mejoran el manipuleo y la transmisión de datos en computadoras cuánticas

En tres estudios recientes, investigadores de Minas Gerais y de São Paulo generaron contribuciones teóricas y experimentales que ayudarán en el desarrollo de un tipo especial de computadora que puebla la mente de los físicos desde hace tres décadas, desde que el químico Charles Bennett, de la gigante de la informática IBM, demostró que era posible usar características de las partículas atómicas para procesar informaciones. Es la computadora cuántica, así llamada por funcionar según las leyes de la mecánica cuántica, un área de la física que investiga los fenómenos del mundo de los átomos y de las moléculas.

El resultado de la aplicación práctica más inmediata surge del trabajo del físico José Maria Villas-Bôas, ex alumno de Nelson Studart en la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), interior de São Paulo, quien actualmente realiza sus investigaciones de posdoctorado en la Universidad de Ohio, Estados Unidos. Villas-Bôas descubrió una solución sencilla para las fallas en uno de los sistemas nanoscópicos, del orden de las millonésimas de milímetro, más que aparece en buen lugar para integrar el procesador de estas computadoras del futuro: los puntos cuánticos, pirámides o semiesferas miles de millones de veces más pequeñas que la punta de una aguja, creada sobre materiales semiconductores.

Todavía no se sabe cual será la apariencia de las computadoras cuánticas, pero los físicos creen que los principal cambios ocurrirás en la estructura del procesador y en la forma de operar con las unidades de información, los bits. En las computadoras clásicas, los procesadores son placas de silicio del tamaño de una moneda, con hasta 400 millones de transistores. Cuando el procesador ejecuta un comando, el transistor permite o bloquea el paso de electricidad y la información es codificada en un sistema de dos números, cero ó uno. En reemplazo a los transistores, las computadoras cuánticas usarán decenas o centenas de puntos cuánticos, átomos o corpúsculos de luz (fotones). Y con ventajas. Mientras que el transistor opera con una información por vez, en una relación de exclusión, el procesador cuántico trabaja simultáneamente con innumerables estados físicos, simbolizados por infinitas combinaciones de la probabilidad de ser 0 ó 1. Por ejemplo, el 99% de chances de ser 0 y el 1% de ser 1, ó el 42% de ser 0 y el 58% de ser 1. He allí la unidad de información cuántica: el bit cuántico o qubit.

Para realizar los cálculos, los físicos asignan valores arbitrarios a las propiedades de las partículas atómicas, como el plan de vibración del campo eléctrico de los fotones en un láser. Un ejemplo ayuda a comprender esto. Se puede determinar que el campo eléctrico de los fotones oscilando en el plano vertical, del mismo modo que una cuerda agitada por chicos, corresponde al estado 0, y la vibración en la horizontal, al 1. Según una propiedad del mundo de las partículas llamada superposición de estados cuánticos, los fotones pueden vibrar en infinitas direcciones al mismo tiempo. Esta propiedad le otorga al procesador cuántico una agilidad inigualable para operar con distintas informaciones al mismo tiempo y, en teoría, eleva al infinito la capacidad de procesamiento de un puñado de átomos.

Actualmente hay al menos dos propuestas de utilización de los puntos cuánticos para realizar operaciones lógicas. En la primera, se aprisiona una partícula única de carga eléctrica negativa (un electrón), en el interior de estas estructuras nanoscópicas, y luego se intenta controlar el sentido de rotación de ese electrón con el auxilio de campos electromagnéticos. Pero la alternativa aparentemente más viable es bombardear el punto cuántico con impulsos rápidos de un láser cuyos fotones vibran con más energía que el electrón.

En esa interacción, el láser transfiere energía al electrón, que salta de la región en que se encuentra a otra más energética ubicada en el interior del punto cuántico; son estructuras con entre 2 y 50 nanómetros. Como consecuencia de ello, la región antes ocupada por el electrón queda vacía y con carga positiva, y la combinación estable del electrón excitado con la región vacía (agujero) compone un estado al que los físicos denominan excitón. Si en ese caso el láser llega al electrón excitado, la partícula de carga eléctrica negativa retorna a la región de menor energía del punto cuántico y el conjunto vuelve a su estado original o fundamental.

Fue esta posibilidad de crear estos estados diferentes – uno fundamental y el otro excitado – lo que llevó a los físicos a plantear los puntos cuánticos como una alternativa de procesador. Pero surgen dificultades. Debido a que la intensidad de la corriente eléctrica generada por un único electrón es baja, es necesario repetir varias veces el bombardeo con láser, hasta que se produzca una corriente mensurable. En esta fase surgen los problemas. Artur Zrenner, de la Universidad de Paderborn, Alemania, constató que este bombardeo repetitivo produce una interferencia que impide la lectura precisa de la información codificada en el estado de energía del punto cuántico, y describió dicho obstáculo en 2002, en un artículo publicado en Nature. En una comparación con el mundo macroscópico, es como si fuera preciso mirar muchas veces a una persona a fin de saber si ella está con sombrero, pero como si en cada mirada se formase una nube de humo ante nuestros ojos, impidiéndonos verla con claridad.

Ante este resultado, Villas-Bôas y los físicos Sergio Ulloa y Alexander Goborov, ambos de la Universidad de Ohio, se abocaron a la búsqueda de explicaciones para esta interferencia indeseable, similar a los ruidos que surgen en la recepción de una radio FM cuando se atraviesa una región de la ciudad repleta de emisoras. Y la encontraron en el origen de los puntos cuánticos: en la delgadísima capa sobre la cual se forman estas estructuras. Compuesta del mismo material semiconductor del punto cuántico – una mezcla de arsenuro de galio y arsenuro de indio -, esta capa tiene zonas en las cuales pueden surgir electrones excitados con más energía que en el interior del punto cuántico, afectando así a la intensidad de la corriente eléctrica producida, tal como describieron Villas-Bôas, Ulloa y Goborov en Physical Review Letters el 11 de febrero.

¿Cómo resolver este problema? Muy sencillamente: es sólo bombardear al punto cuántico con impulsos de láser menos intensos y más prolongados, sugieren los investigadores. Es que el uso de impulsos menos intensos reduce la probabilidad de generar electrones excitados de energía más alta en la capa de abajo del punto cuántico. Y parece que funciona. “El año pasado, Artur Zrenner charló conmigo después de que presenté este trabajo en la conferencia Quantum Dot, en Canadá”, comenta Villas-Bôas. “Aun sin conocer mi estudio, Zrenner rehizo los experimentos con impulsos de láser más largos y obtuvo resultados mejores, pero no sabía explicar por qué”.

Caminos simétricos
Simultáneamente al progreso con los prototipos de procesador cuántico, físicos de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) y de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), presentaron  otros dos avances relevantes: hallaron formas de aumentar la capacidad de procesamiento y de transmisión de información de una computadora cuántica.

En la UFMG, Sebastião Pádua, Leonardo Neves, Gustavo Lima y Carlos Monken desarrollaran y testearon una estrategia ingeniosa, que permite aumentar la cantidad de información asociada a cada bit cuántico. En colaboración con José Aguirre y Carlos Saavedra, de la Universidad de Concepción, Chile, el equipo de Pádua asoció la información a otra propiedad inherente a los fotones: el camino recorrido por estos corpúsculos de luz.

Y no es magia. Con algún esfuerzo de imaginación se logra entender la propuesta de Minas Gerais. Al atravesar un cristal especial, el haz de láser se convierte en dos haces de fotones gemelos, que se propagan en sentidos distintos, con ángulos simétricos en relación a la trayectoria inicial. Una propiedad intrigante de la física cuántica llamada entrelazamiento cuántico asegura que dos partículas distintas y separadas – o incluso dos conjuntos de partículas, que es el caso de haces hermanos – reaccionarán de una manera predeterminada cuando una de ellas reciba un estímulo.

El equipo de Pádua orientó cada uno de los haces hermanos hacia un alero distinto, ubicado a 20 centímetros del cristal, y con cuatro rendijas muy estrechas, de 0,09 milímetros. Al producir los haces de fotones gemelos, los físicos los programaron para cumplir con la siguiente exigencia: al salir del cristal, los corpúsculos de luz pasarían por rendijas simétricamente opuestas. Así, si el fotón de la derecha atravesase la más elevada de las cuatro rendijas, el de la izquierda obligatoriamente cruzaría la ubicada más abajo del alero izquierdo. Además de la información codificada en el plano de polarización, ahora es posible sumar otras cuatro informaciones, vinculadas a los caminos que los fotones pueden recorrer.

Y cuanto mayor es el número de rendijas, más información estará supeditada a la acción de los haces hermanos. Experimentos con aleros de 4 y 8 rendijas, descritos por el equipo de Minas Gerais  y de Chile en Physical Review Letters el 18 de marzo, mostraron que la estrategia es factible y el índice de acierto es elevado: al menos de 96%. Los cálculos señalan que es posible obtener buenos resultados con hasta 10 rendijas. Se puede argumentar que aleros con rendijas no son el mejor material para integrar un procesador cuántico. Pero lo que interesa es el principio de funcionamiento. “Imagínese que, en lugar de las rendijas, tengamos fibra óptica”, plantea Pádua. “Esta sencilla sustitución permitiría transportar más información usando menos impulsos de luz”.

Un solo paquete
El autor de la tercera contribución es el físico Gustavo Rigolin, de la Unicamp. Valiéndose de particularidades del entrelazamiento cuántico, Rigolin propuso una salida a uno de los cuellos de botella de la computación cuántica: la transmisión de informaciones. De nada sirve tener un procesador supereficiente, capaz de realizar en segundos cálculos que llevarían miles de millones de años en una computadora clásica, si los resultados tuviesen que ser trasportados  uno por uno hasta el lugar en donde se los  almacenará.

Casi 20 años después de revelar la posibilidad de usar partículas atómicas para realizar cálculos, Charles Bennett identificó en 1993 una sorprendente propiedad de la física cuántica: el teletransporte, capacidad de transmitir características de una partícula atómica a otra distante. Hasta hace poco la eficiencia del teletransporte era baja, pues sólo se conseguía transmitir las características de una sola partícula por vez. En un artículo publicado en  Physical Review A, Rigolin sugiere procedimientos que permiten enviar simultáneamente innumerables estados cuánticos de un grupo de partículas a otro.

Imagínese que se quisiera trasladar las informaciones de un centenar de electrones ubicados en la Catedral da Sé, ubicada en el centro de São Paulo, a otro centenar de electrones situados en la Candelaria, zona central de Río. Rigolin descubrió que solamente logra transmitir las características de las partículas paulistanas a las cariocas en caso de tener a disposición otro centenar de electrones intermedios. Al entrelazar las partículas intermedias con las paulistanas, ambas pasan a compartir las mismas características. Posteriormente, las partículas intermedias funcionan como un puente cuántico o canal cuántico y transfieren sus propiedades a los electrones cariocas. Más allá de aumentar la capacidad de transmitir informaciones simultáneamente, este modelo permite corregir eventuales errores en la información transmitida y crear códigos de seguridad más eficaces, que denunciarían cualquier intento de interceptar la información.

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