ORDENADORES CUÁNTICOS
Jesús Ruiz Felipe. Profesor de Física
Las primeras computadoras allá por los años 50 ocupaban estancias enteras.
Habitaciones invadidas de tubos de vacío y válvulas. Las prestaciones del
computador de a bordo de la nave Apolo XIII sacarían la sonrisa en un
novenario. A medida que han ido evolucionando los ordenadores, estos han ido
multiplicando su velocidad entre otras
motivos porque han ido reduciendo su tamaño de manera vertiginosa. Pero toda técnica
tiene un límite. Los chips actuales contienen millones de componentes electrónicos.
Están construidos con nanotecnologías que permiten
almacenar cientos de ellos en el espesor que ocupa un cabello. Uno de estos
componentes es el transistor, fabricado con silicio (semiconductor) y óxido de
silicio, aislante de la electricidad. Los ordenadores actuales procesan la información en forma de ceros y unos, según salga electricidad o
no, de los transistores. Con un conjunto de tres transistores tenemos ocho
posibles combinaciones de ceros y unos, y el sistema estará en uno de esos
estados. Sin embargo, cuando los transistores empiezan a ser más y más pequeños, del orden
de unos pocos átomos, pierden sus propiedades. Así las cosas, se están
buscando alternativas para cuando se toque techo.
Una de las opciones que manejan
los científicos, son los
ordenadores cuánticos, sugeridos como una posibilidad teórica por Richard
Feynman, Nóbel de Física. Se han desarrollado programas específicos para estos
ordenadores que permiten, por ejemplo, buscar información en una base de datos, solo
que en vez de indagar verificando uno por uno todos los elementos de la base
como en un pc convencional, un ordenador cuántico los comprobaría todos a la
vez.
Los ordenadores cuánticos
almacenan la información en forma de qubits, que son estados cuánticos que
representan unos y ceros En un ordenador cuántico el cero y el uno podrían
corresponder al estado del spin de un átomo
o un electrón. Lo extraordinario es que
el átomo
puede encontrarse en una superposición de ambos estados, es decir, se encuentra
en situación 0 y 1 a la vez.
En la teoría cuántica, las partículas
no poseen
situaciones y velocidades bien definidas, tienen un estado cuántico, una
combinación de ubicación y celeridad que es imposible medir con absoluta precisión.
La mecánica cuántica no predice un único resultado de cada observación,
predice una probabilidad de que la partícula se encuentre en un estado cuántico,
según su función de onda. De alguna manera se introduce un componente de azar
en el estado de las partículas. Es como si la partícula se pudiera encontrar
en todas las posiciones, en todos los estados cuánticos a la vez. Einstein cuya
contribución fue decisiva al desarrollo de la mecánica cuántica y fue
recompensado por ello con el premio Nóbel en 1905, siempre se opuso a esta idea,
y reflejó
de esta guisa sus sentires: “Jamás creeré que Dios juega a los dados con
el universo”.
Paradójicamente Einstein fue uno de los precursores de la nueva física. En su tesis doctoral sobre el efecto fotoeléctrico, Einstein proponía que la luz se comporta en ciertas circunstancias como si estuviera compuesta por partículas (fotones). Sabemos que la luz procede en determinadas situaciones como una onda y se advierte en manifestaciones tan cotidianas como el arco iris. Existe una dualidad onda-corpúsculo en la naturaleza que queda plasmada en la formulación de la mecánica cuántica. Como consecuencia de esto se observa el fenómeno de interferencia tanto de ondas como de partículas. Si dos ondas interfieren en fase, se refuerzan, mientras que si lo hacen en oposición de fase pueden cancelarse. Lo extraordinario de este fenómeno es que también se produce con partículas. En el experimento de la doble rendija de Young, hacemos pasar luz de la misma longitud de onda (mismo color) a través de dos rendijas paralelas. Estas se comportaran como dos fuentes monocromáticas. Al iluminar una pantalla, si la diferencia de los caminos ópticos es tal que las ondas llegan en oposición de fase, estos dos surtidores de luz producirán oscuridad. El resultado es tal que sobre la pantalla se forman un diagrama formado por franjas claras y oscuras.
Idéntico resultado se origina si en vez de iluminar la pantalla con luz monocromática, enviamos electrones de la misma velocidad sobre ella. Habrá franjas donde incidan los electrones en mayor numero y zonas de la pantalla donde no golpee ninguno. Vayamos más lejos, mandemos los electrones de uno en uno de manera muy espaciada. El electrón pasará por una u otra rendija, pero seguiremos distinguiendo el mismo patrón de interferencia. Sin embargo cerremos una rendija primero de tal manera que el electrón solo tenga un camino posible. Los electrones impactan en la pantalla distribuyéndose sin que exista ningún tipo de interferencia. Cerremos la otra rendija y notaremos un comportamiento similar. Solo si las dos rendijas están abiertas a la vez, aunque el electrón pase por una de las dos rendijas (es una partícula) se percibe interferencia (se comporta como una onda). Lo que está sucediendo aparentemente, es que el electrón atraviesa las dos rendijas a la vez. Una partícula puede estar en varios sitios a la vez o estar permanecer en distintos estados cuánticos. Únicamente cuando medimos su estado están en uno sólo de ellos.
La hipótesis cuántica describe el estado de los sistemas como una superposición
de todos los estados posibles. Esto da
lugar a muchas paradojas, una de las más famosas es la del gato
de Schrödinger. Éste propuso introducir un gato en una caja cerrada, dentro de
la cual se encontraba una cantidad de algún elemento radiactivo que tenía una
probabilidad de desintegrarse de un 50%. En la caja hay también un detector de
desintegraciones. Si
alguno de los átomos se descompone, el contador activa un circuito que
electrocuta al minino. De esta manera el destino del gato está ligada al
comportamiento de los átomos, gobernado por las leyes de la física microscópica,
Si se ha producido una desintegración el gato fallece y si no, el felino
subsiste. Mientras la caja permanezca cerrada y no hayamos comprobado el estado
del gato, el bicho se encontrará en un estado que es la superposición de los
dos posibles, o sea, que está a la vez vivo y difunto.
Tal vez no tenga sentido preguntarse por la suerte del animal hasta no abrir la caja, pero mientras tanto esta multiplicidad de estados puede convertir a los ordenadores cuánticos en portentos de potencia y, velocidad. Si tres bits clásicos están en una de las ocho posibles combinaciones de ceros y unos, tres qbits están en los ocho a la vez.
Concretar estas
teorías en un artefacto físico es algo muy complicado. Los qubits son muy difíciles
de generar ya que cualquier perturbación (campos eléctricos, magnéticos, luz
etc) harían que los qubits colapsasen en un solo estado como los pcs
convencionales. Uno de los problemas, por tanto sería resolver el problema técnico
de manipulación de los qbits.
Se han construido ordenadores cuánticos que contienen cuatro qubits; cuatro átomos
dentro de una molécula especialmente diseñada de manera que los spins de los núcleos
interactúan entre si como qubits. Se utiliza un campo magnético externo para
alinear los núcleos atómicos en una dirección, significando un uno, o en sentido contrario,
interpretando un cero. De esta manera se consigue que los átomos se reúnan en
un único estado cuántico actuando sincronizadamente. Se
han conseguido logros prometedores; se ha operado la suma 1 más 1, ejercicio
nada trivial en este caso, y aunque se esté todavía en la infancia de la
cibernética cuántica es posible que se halle en el buen camino.
Tal vez la mejor interpretación
de los fenómenos tratados la expresase Werner Heisenberg (1901-1976) Físico
alemán, autor del principio de incertidumbre (uno de los fundamentos cuánticos): Todas las cualidades del átomo
de la física moderna, que sólo puede simbolizarse mediante una ecuación en
derivadas parciales en un espacio abstracto multidimensional, son inferidas; no
se le puede atribuir directamente propiedad material alguna. Así pues,
cualquier representación suya que pueda crear nuestra imaginación es intrínsecamente
deficiente; la comprensión del mundo atómico de ese modo primario y
sensorial... es imposible
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