En tres estudios recientes, investigadores de Minas Gerais y de S\u00e3o Paulo generaron contribuciones te\u00f3ricas y experimentales que ayudar\u00e1n en el desarrollo de un tipo especial de computadora que puebla la mente de los f\u00edsicos desde hace tres d\u00e9cadas, desde que el qu\u00edmico Charles Bennett, de la gigante de la inform\u00e1tica IBM, demostr\u00f3 que era posible usar caracter\u00edsticas de las part\u00edculas at\u00f3micas para procesar informaciones. Es la computadora cu\u00e1ntica, as\u00ed llamada por funcionar seg\u00fan las leyes de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, un \u00e1rea de la f\u00edsica que investiga los fen\u00f3menos del mundo de los \u00e1tomos y de las mol\u00e9culas.<\/p>\n
El resultado de la aplicaci\u00f3n pr\u00e1ctica m\u00e1s inmediata surge del trabajo del f\u00edsico Jos\u00e9 Maria Villas-B\u00f4as, ex alumno de Nelson Studart en la Universidad Federal de S\u00e3o Carlos (UFSCar), interior de S\u00e3o Paulo, quien actualmente realiza sus investigaciones de posdoctorado en la Universidad de Ohio, Estados Unidos. Villas-B\u00f4as descubri\u00f3 una soluci\u00f3n sencilla para las fallas en uno de los sistemas nanosc\u00f3picos, del orden de las millon\u00e9simas de mil\u00edmetro, m\u00e1s que aparece en buen lugar para integrar el procesador de estas computadoras del futuro: los puntos cu\u00e1nticos, pir\u00e1mides o semiesferas miles de millones de veces m\u00e1s peque\u00f1as que la punta de una aguja, creada sobre materiales semiconductores.<\/p>\n
Todav\u00eda no se sabe cual ser\u00e1 la apariencia de las computadoras cu\u00e1nticas, pero los f\u00edsicos creen que los principal cambios ocurrir\u00e1s en la estructura del procesador y en la forma de operar con las unidades de informaci\u00f3n, los bits. En las computadoras cl\u00e1sicas, los procesadores son placas de silicio del tama\u00f1o 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 informaci\u00f3n es codificada en un sistema de dos n\u00fameros, cero \u00f3 uno. En reemplazo a los transistores, las computadoras cu\u00e1nticas usar\u00e1n decenas o centenas de puntos cu\u00e1nticos, \u00e1tomos o corp\u00fasculos de luz (fotones). Y con ventajas. Mientras que el transistor opera con una informaci\u00f3n por vez, en una relaci\u00f3n de exclusi\u00f3n, el procesador cu\u00e1ntico trabaja simult\u00e1neamente con innumerables estados f\u00edsicos, simbolizados por infinitas combinaciones de la probabilidad de ser 0 \u00f3 1. Por ejemplo, el 99% de chances de ser 0 y el 1% de ser 1, \u00f3 el 42% de ser 0 y el 58% de ser 1. He all\u00ed la unidad de informaci\u00f3n cu\u00e1ntica: el bit cu\u00e1ntico o qubit.<\/p>\n
Para realizar los c\u00e1lculos, los f\u00edsicos asignan valores arbitrarios a las propiedades de las part\u00edculas at\u00f3micas, como el plan de vibraci\u00f3n del campo el\u00e9ctrico de los fotones en un l\u00e1ser. Un ejemplo ayuda a comprender esto. Se puede determinar que el campo el\u00e9ctrico de los fotones oscilando en el plano vertical, del mismo modo que una cuerda agitada por chicos, corresponde al estado 0, y la vibraci\u00f3n en la horizontal, al 1. Seg\u00fan una propiedad del mundo de las part\u00edculas llamada superposici\u00f3n de estados cu\u00e1nticos, los fotones pueden vibrar en infinitas direcciones al mismo tiempo. Esta propiedad le otorga al procesador cu\u00e1ntico una agilidad inigualable para operar con distintas informaciones al mismo tiempo y, en teor\u00eda, eleva al infinito la capacidad de procesamiento de un pu\u00f1ado de \u00e1tomos.<\/p>\n
Actualmente hay al menos dos propuestas de utilizaci\u00f3n de los puntos cu\u00e1nticos para realizar operaciones l\u00f3gicas. En la primera, se aprisiona una part\u00edcula \u00fanica de carga el\u00e9ctrica negativa (un electr\u00f3n), en el interior de estas estructuras nanosc\u00f3picas, y luego se intenta controlar el sentido de rotaci\u00f3n de ese electr\u00f3n con el auxilio de campos electromagn\u00e9ticos. Pero la alternativa aparentemente m\u00e1s viable es bombardear el punto cu\u00e1ntico con impulsos r\u00e1pidos de un l\u00e1ser cuyos fotones vibran con m\u00e1s energ\u00eda que el electr\u00f3n.<\/p>\n
En esa interacci\u00f3n, el l\u00e1ser transfiere energ\u00eda al electr\u00f3n, que salta de la regi\u00f3n en que se encuentra a otra m\u00e1s energ\u00e9tica ubicada en el interior del punto cu\u00e1ntico; son estructuras con entre 2 y 50 nan\u00f3metros. Como consecuencia de ello, la regi\u00f3n antes ocupada por el electr\u00f3n queda vac\u00eda y con carga positiva, y la combinaci\u00f3n estable del electr\u00f3n excitado con la regi\u00f3n vac\u00eda (agujero) compone un estado al que los f\u00edsicos denominan excit\u00f3n. Si en ese caso el l\u00e1ser llega al electr\u00f3n excitado, la part\u00edcula de carga el\u00e9ctrica negativa retorna a la regi\u00f3n de menor energ\u00eda del punto cu\u00e1ntico y el conjunto vuelve a su estado original o fundamental.<\/p>\n
Fue esta posibilidad de crear estos estados diferentes – uno fundamental y el otro excitado – lo que llev\u00f3 a los f\u00edsicos a plantear los puntos cu\u00e1nticos como una alternativa de procesador. Pero surgen dificultades. Debido a que la intensidad de la corriente el\u00e9ctrica generada por un \u00fanico electr\u00f3n es baja, es necesario repetir varias veces el bombardeo con l\u00e1ser, hasta que se produzca una corriente mensurable. En esta fase surgen los problemas. Artur Zrenner, de la Universidad de Paderborn, Alemania, constat\u00f3 que este bombardeo repetitivo produce una interferencia que impide la lectura precisa de la informaci\u00f3n codificada en el estado de energ\u00eda del punto cu\u00e1ntico, y describi\u00f3 dicho obst\u00e1culo en 2002, en un art\u00edculo publicado en Nature. En una comparaci\u00f3n con el mundo macrosc\u00f3pico, es como si fuera preciso mirar muchas veces a una persona a fin de saber si ella est\u00e1 con sombrero, pero como si en cada mirada se formase una nube de humo ante nuestros ojos, impidi\u00e9ndonos verla con claridad.<\/p>\n
Ante este resultado, Villas-B\u00f4as y los f\u00edsicos Sergio Ulloa y Alexander Goborov, ambos de la Universidad de Ohio, se abocaron a la b\u00fasqueda de explicaciones para esta interferencia indeseable, similar a los ruidos que surgen en la recepci\u00f3n de una radio FM cuando se atraviesa una regi\u00f3n de la ciudad repleta de emisoras. Y la encontraron en el origen de los puntos cu\u00e1nticos: en la delgad\u00edsima capa sobre la cual se forman estas estructuras. Compuesta del mismo material semiconductor del punto cu\u00e1ntico – una mezcla de arsenuro de galio y arsenuro de indio -, esta capa tiene zonas en las cuales pueden surgir electrones excitados con m\u00e1s energ\u00eda que en el interior del punto cu\u00e1ntico, afectando as\u00ed a la intensidad de la corriente el\u00e9ctrica producida, tal como describieron Villas-B\u00f4as, Ulloa y Goborov en Physical Review Letters<\/em> el 11 de febrero.<\/p>\n \u00bfC\u00f3mo resolver este problema? Muy sencillamente: es s\u00f3lo bombardear al punto cu\u00e1ntico con impulsos de l\u00e1ser menos intensos y m\u00e1s prolongados, sugieren los investigadores. Es que el uso de impulsos menos intensos reduce la probabilidad de generar electrones excitados de energ\u00eda m\u00e1s alta en la capa de abajo del punto cu\u00e1ntico. Y parece que funciona. “El a\u00f1o pasado, Artur Zrenner charl\u00f3 conmigo despu\u00e9s de que present\u00e9 este trabajo en la conferencia Quantum Dot, en Canad\u00e1”, comenta Villas-B\u00f4as. “Aun sin conocer mi estudio, Zrenner rehizo los experimentos con impulsos de l\u00e1ser m\u00e1s largos y obtuvo resultados mejores, pero no sab\u00eda explicar por qu\u00e9”.<\/p>\n Caminos sim\u00e9tricos En la UFMG, Sebasti\u00e3o P\u00e1dua, Leonardo Neves, Gustavo Lima y Carlos Monken desarrollaran y testearon una estrategia ingeniosa, que permite aumentar la cantidad de informaci\u00f3n asociada a cada bit cu\u00e1ntico. En colaboraci\u00f3n con Jos\u00e9 Aguirre y Carlos Saavedra, de la Universidad de Concepci\u00f3n, Chile, el equipo de P\u00e1dua asoci\u00f3 la informaci\u00f3n a otra propiedad inherente a los fotones: el camino recorrido por estos corp\u00fasculos de luz.<\/p>\n Y no es magia. Con alg\u00fan esfuerzo de imaginaci\u00f3n se logra entender la propuesta de Minas Gerais. Al atravesar un cristal especial, el haz de l\u00e1ser se convierte en dos haces de fotones gemelos, que se propagan en sentidos distintos, con \u00e1ngulos sim\u00e9tricos en relaci\u00f3n a la trayectoria inicial. Una propiedad intrigante de la f\u00edsica cu\u00e1ntica llamada entrelazamiento cu\u00e1ntico asegura que dos part\u00edculas distintas y separadas – o incluso dos conjuntos de part\u00edculas, que es el caso de haces hermanos – reaccionar\u00e1n de una manera predeterminada cuando una de ellas reciba un est\u00edmulo.<\/p>\n El equipo de P\u00e1dua orient\u00f3 cada uno de los haces hermanos hacia un alero distinto, ubicado a 20 cent\u00edmetros del cristal, y con cuatro rendijas muy estrechas, de 0,09 mil\u00edmetros. Al producir los haces de fotones gemelos, los f\u00edsicos los programaron para cumplir con la siguiente exigencia: al salir del cristal, los corp\u00fasculos de luz pasar\u00edan por rendijas sim\u00e9tricamente opuestas. As\u00ed, si el fot\u00f3n de la derecha atravesase la m\u00e1s elevada de las cuatro rendijas, el de la izquierda obligatoriamente cruzar\u00eda la ubicada m\u00e1s abajo del alero izquierdo. Adem\u00e1s de la informaci\u00f3n codificada en el plano de polarizaci\u00f3n, ahora es posible sumar otras cuatro informaciones, vinculadas a los caminos que los fotones pueden recorrer.<\/p>\n Y cuanto mayor es el n\u00famero de rendijas, m\u00e1s informaci\u00f3n estar\u00e1 supeditada a la acci\u00f3n de los haces hermanos. Experimentos con aleros de 4 y 8 rendijas, descritos por el equipo de Minas Gerais\u00a0 y de Chile en Physical Review Letters el 18 de marzo, mostraron que la estrategia es factible y el \u00edndice de acierto es elevado: al menos de 96%. Los c\u00e1lculos se\u00f1alan 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 cu\u00e1ntico. Pero lo que interesa es el principio de funcionamiento. “Imag\u00ednese que, en lugar de las rendijas, tengamos fibra \u00f3ptica”, plantea P\u00e1dua. “Esta sencilla sustituci\u00f3n permitir\u00eda transportar m\u00e1s informaci\u00f3n usando menos impulsos de luz”.<\/p>\n Un solo paquete Casi 20 a\u00f1os despu\u00e9s de revelar la posibilidad de usar part\u00edculas at\u00f3micas para realizar c\u00e1lculos, Charles Bennett identific\u00f3 en 1993 una sorprendente propiedad de la f\u00edsica cu\u00e1ntica: el teletransporte, capacidad de transmitir caracter\u00edsticas de una part\u00edcula at\u00f3mica a otra distante. Hasta hace poco la eficiencia del teletransporte era baja, pues s\u00f3lo se consegu\u00eda transmitir las caracter\u00edsticas de una sola part\u00edcula por vez. En un art\u00edculo publicado en\u00a0 Physical Review A<\/em>, Rigolin sugiere procedimientos que permiten enviar simult\u00e1neamente innumerables estados cu\u00e1nticos de un grupo de part\u00edculas a otro.<\/p>\n Imag\u00ednese que se quisiera trasladar las informaciones de un centenar de electrones ubicados en la Catedral da S\u00e9, ubicada en el centro de S\u00e3o Paulo, a otro centenar de electrones situados en la Candelaria, zona central de R\u00edo. Rigolin descubri\u00f3 que solamente logra transmitir las caracter\u00edsticas de las part\u00edculas paulistanas a las cariocas en caso de tener a disposici\u00f3n otro centenar de electrones intermedios. Al entrelazar las part\u00edculas intermedias con las paulistanas, ambas pasan a compartir las mismas caracter\u00edsticas. Posteriormente, las part\u00edculas intermedias funcionan como un puente cu\u00e1ntico o canal cu\u00e1ntico y transfieren sus propiedades a los electrones cariocas. M\u00e1s all\u00e1 de aumentar la capacidad de transmitir informaciones simult\u00e1neamente, este modelo permite corregir eventuales errores en la informaci\u00f3n transmitida y crear c\u00f3digos de seguridad m\u00e1s eficaces, que denunciar\u00edan cualquier intento de interceptar la informaci\u00f3n.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Los f\u00edsicos de los estados de Minas Gerais y S\u00e3o Paulo mejoran el manipuleo y la transmisi\u00f3n de datos en computadoras cu\u00e1nticas","protected":false},"author":16,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[],"coauthors":[105],"class_list":["post-80306","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/80306","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/16"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=80306"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/80306\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=80306"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=80306"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=80306"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=80306"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}
\n<\/strong>Simult\u00e1neamente al progreso con los prototipos de procesador cu\u00e1ntico, f\u00edsicos de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) y de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), presentaron\u00a0 otros dos avances relevantes: hallaron formas de aumentar la capacidad de procesamiento y de transmisi\u00f3n de informaci\u00f3n de una computadora cu\u00e1ntica.<\/p>\n
\n<\/strong>El autor de la tercera contribuci\u00f3n es el f\u00edsico Gustavo Rigolin, de la Unicamp. Vali\u00e9ndose de particularidades del entrelazamiento cu\u00e1ntico, Rigolin propuso una salida a uno de los cuellos de botella de la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica: la transmisi\u00f3n de informaciones. De nada sirve tener un procesador supereficiente, capaz de realizar en segundos c\u00e1lculos que llevar\u00edan miles de millones de a\u00f1os en una computadora cl\u00e1sica, si los resultados tuviesen que ser trasportados\u00a0 uno por uno hasta el lugar en donde se los\u00a0 almacenar\u00e1.<\/p>\n