Nueva realidad.[div align=\\\’center\\\’][/div]

La computación cuántica no es otra forma de acelerar o miniaturizar las computadoras con las que estamos familiarizados. Es algo fundamentalmente diferente, basado en los más exóticos aspectos de la mecánica cuántica –cómo la naturaleza se comporta a nivel atómico y sub-atómico–. Esta nueva forma de computación puede, dentro de la década presente, ser lo suficientemente poderosa para romper los códigos criptográficos que protegen los secretos financieros y militares. También mantiene la promesa de hacer la información sensitiva mucho más segura que nunca antes. Temas de intenso interés para la industria, en particular la bancaria, financiera y militar.

Pero una revolución en seguridad es solo el principio. La computación cuántica tiene el potencial de revitalizar la tecnologia existente y generar nuevas tecnologias, y abrir nuevas ventanas a la naturaleza y origen del universo, y para cambiar la manera en que pensamos acerca de la información y la realidad misma.

La idea cuantum ha estado presente desde 1900, cuando Max Planck teorizó que la radiación electromagnética, incluyendo la luz, es emitida en pequeños conjuntos de ondas, los cuales el llamó “cuanta”. (Un cuantum, también llamado un fotón, es la unidad más pequeña posible de radiación. No existe algo como la mitad de un cuantum.) Pero la noción de computación cuántica comenzó a circular solo en los ultimos 70’s y en los primeros 80’s, cuando los científicos observaron que los chips de computadora eran más y más pequeños, y se preguntaron qué podria pasar cuando los circuitos fueran tan pequeños como los átomos.

Arriba de ese nivel, las leyes clásicas de la física hacen un buen trabajo explicando el mundo que podemos ver. Debajo de éste, Newton está afuera de su campo. Las cosas son extrañas, como aún algunos físicos admitirán. La mecánica cuántica es comunmente descrita como contra-intuitiva, induce dolor de cabeza, Alicia-en-el-pais-de-las-maravillas reino de multiples universos, teletransportación, particulas atómicas que están en dos lugares a la vez, y gatos que están simultáneamente vivos y muertos. Se reportó que Niels Bohr, uno de los fundadores del campo, dijo, “Cualquiera que diga que puede contemplar la mecánica cuántica sin marearse no la ha entendido.”

Lo extraño es donde la promesa radica. La computación cuántica explota un efecto llamado superposición, lo que significa, esencialmente, que una partícula puede estar en más de un estado a la vez. La utilidad de este efecto viene a ser clara cuando piensas como trabajan las computadoras binarias. En una computadora clásica el bit, la unidad de datos más pequeña, es registrada cuando un pequeño interruptor se cierra, permitiendo la acción eléctrica, o se abre, cortando la corriente. Cerrado significa 1, abierto significa 0. Largas cadenas de 1s y 0s hacen las masas de información procesadas dentro del CPU.

Dentro de una computadora cuántica, no hay tal pequeño switch. En su lugar hay un conjunto de átomos que permanecen en diferentes estados. Por ejemplo, el núcleo de un átomo dentro de una máquina de RMN (Resonancia Magnética Nuclear) puede girar en una dirección o en otra, y su eje de giro puede apuntar hacia arriba (1), hacia abajo (0), o hacia cualquier dirección intermedia.

Pero aquí está la clave. Un bit cuántico (o qubit) puede ser 1 o 0 pero también ser ambos al mismo tiempo. Es como si la particula existiera en una infinidad de universos paralelos, teniendo un estado diferente en cada uno; y de hecho, hay una teoria para este comportamiento no Newtoniano.
Una computadora clásica de tres bits puede almacenar tres digitos en uno de estos ocho ordenes: 000 001 010 011 111 110 101 100.
Una computadora cuántica de tres qubits puede mantener los mismos ocho arreglos todos a la vez, haciendola ocho veces más poderosa. Una de siete qubits como la de la U. de Waterloo, la más grande por mucho, podria tener 128 posibles combinaciones de 0s y 1s para trabajar con ellos simultáneamente, dandole 128 veces la capacidad de una computadora clásica de siete bits. Una computadora cuántica de 30 qubits seria aproximadamente tres veces más poderosa que las supercomputadoras actuales más rápidas, las cuales pueden ejecutar trillones de operaciones por segundo.

Despues de que la primera idea salió a flote, aunque los científicos continuaron expandiendo su entendimiento de cómo una computadora cuántica pudiera trabajar, ésta permaneció como cosa de juego para los teóricos sin aplicaciones prácticas hasta 1994. En aquel año, Peter Shor, un científico en computación de AT&T, probó matemáticamente que una computadora cuántica, si existiera, seria capaz de encontrar los factores de un número muy grande –por decir, uno con 400 digitos—en unos cuantos dias. Esto puede sonar como un tiempo largo para que una computadora haga algo, pero es un tiempo muy pequeño, comparado con los billones de años que le tomaria a una computadora convencional factorizar el mismo numero.

El descubrimiento de Shor provocó explosiones mentales en universidades y centros de investigación alrededor del mundo. Y en organizaciones como las “Agencia de Seguridad Nacional” de muchos paises. Ya que los más sofisticados sistemas de criptografia, los códigos secretos que protegen información conforme ésta viaja a través del cyber espacio, están basados en la casi-imposibilidad de factorizar numeros muy grandes usando computadoras convencionales. La amenaza criptográfica empujó la investigación en computación cuántica en una marcha rápida. De repente hubo dinero disponible. En los Alamos, Raymond Laflamme comenzó a recibir fondos de la Agencia Nacional de Seguridad, la cual tiene que garantizar que sus códigos sean buenos por 50 años. “Ahora tienen un dilema”, explica Laflamme. “Querian saber si pudiera haber una computadora cuántica. Si mi respuesta hubiera sido “si”, toda la investigación seria clasificada, y yo probablemente no estaria aquí (Universidad de Waterloo)!. Si la respuesta hubiera sido “no” entonces no hubiera tenido fondos. Pero la respuesta está realmente entre las dos.”

Mientras un efecto cuántico, superposición, hace posible la computación cuántica, un par de otros efectos la hacen difícil de alcanzar –por lo cual las computadoras cuánticas no estarán en producción comercial mañana. Un problema es que los sistemas cuánticos, siendo muy pequeños, son también muy frágiles. El ruido –cualquier actividad al azar de partículas sub-aómicas—no hace mucho daño dentro de una computadora clásica, pero afecta los datos almacenados en qubits como una máquina que dispara pelotas de baseball en una tienda de artesania china.
Un segundo problema es que, en términos muy simples, el efecto de todos-los-posibles-estados-existiendo-a-la-vez continua mientras nadie intente observar o medir lo que está pasando. Cualquier contacto del exterior causa que las diferentes posibilidades colapsen en una actualidad: 1 o 0. Esto es llamado decoerencia. En 1995, Shor y otros teorizaron en la manera de corregir errores cuánticos utilizando otro efecto cuántico llamado entrelazamiento. Descrito por Einstein como “espeluznante acción a distancia”, entrelazamiento significa que los vecinos de una partícula retienen información sobre el estado de esa partícula –la dirección de su spin, por ejemplo—y los vecinos, cuando son auscultados, pueden ayudar a corregir errores causados por el ruido. Pero habia un problema. Cómo se podria corregir errores sin causar más errores ?
Aquí es donde Raymond Laflamme vino a escena. “Tan pronto como escuché acerca de la computación cuántica”, recuerda, “Quise mostrar que eso nunca trabajaria.” En el transcurso de tratar de demoler el argumento, él cambió su propio pensamiento –“Y eso me llevó a la corrección de errores”.
Fue Laflamme, con sus colegas en Los Alamos, quien demostró en 1997 que es posible llevar a cabo cálculos largos en una computadora cuántica, y corregir errores exitosamente, mientras que el ruido se mantenga debajo de cierto umbral. Su teorema de umbral de exactitud convenció a otros científicos que las computadoras cuánticas no solo eran posibles, sino construíbles, en teoría. Poco después, pusieron la teoría en práctica concibiendo la primera computadora de tres qubits, usando atomos de carbono 13. Esta demostración fué nombrada por la revista ciencia en 1998 como uno de los 10 principales avances del año. En el 2000, Laflamme y sus colegas en Los Alamos y el MIT construyeron el primer dispositivo de siete qubits. “La gente piensa que este ha sido un gran disparo, pero al menos este gran obstáculo ha sido removido.” Dijo Laflamme.
La computadora de siete qubits creada por Laflamme y sus colegas en el 2000 es aún (en 2003) la más grande, aunque no está sola. (IBM también tiene una). Qué puede ésta hacer ?. Puede ejecutar incluso algunas instrucciones de programación. “Lo que los prototipos hacen mejor es mostrar que la idea de computación cuántica no es completamente loca”, dice Laflamme. “Se puede pensar de esto como “prueba de principio”. Demuestran que la ciencia en el fondo de esto es sana”.

Se busca: Vivo o Muerto

Erwin Schrodinger, uno de los gigantes de la física cuántica, publicó su famoso experimento pensado “gato en la caja” en 1935 para satirizar la idea clave de un grupo lidereado por Niels Bohr (otro gigante). Ya que es un experimento pensado, no muere ningun gato. Imagina una camara de acero conteniendo un gato, una pequeña masa de material radiactivo, un detector de radiactividad conectado a un martillo, y un frasco de gas venenoso. Hay un 50% de posibilidades de que un isotopo en la masa radiactiva decaiga en la siguiente hora, el cual registrará en el detector, que libera el martillo para aplastar el frasco, que libera el gas que mata al gato. Al final de la hora, el gato debe estar ya sea vivo, o muerto, cierto ?. Falso!. De acuerdo a la teoría cuántica, el gato estará ambas, vivo y muerto hasta que un observador del exterior abra la caja y vea dentro de ella. Lo cual es absurdo, según parece. Pero es también cierto. La idea de que el isotopo, al menos, existe en más de un estado a la vez, a sido ensayado una y otra vez, y probado. Una de sus aplicaciones prácticas es la computación cuántica. La paradoja de Schrodinger aun provoca preguntas acerca de qué constituye un observador, qué papel juega la conciencia en la medición de la realidad, y dónde radica la frontera real entre los efectos cuánticos y el mundo clásico. Los físicos han gastado los ultimos 65 años lidiando con estas cuestiones.

Ley de Moore – Golpeando la pared.

Hace más de 25 años, cuando Intel desarrollaba su primer microprocesador, El Dr. Gordon E. Moore, cofundador de la compañía, predijo que el número de transistores en un microprocesador seria el doble aproximadamente cada 18 meses y consecuentemente el costo por función de circuitos integrados caeria a la mitad en aproximadamente el mismo tiempo.
A la fecha (2003), la ley de Moore ha probado ser remarcablemente exacta. De echo, la asociación de la industria del semiconductor proyecta que esta tasa de mejoramiento se extenderá hasta 2012. Sin embargo hay científicos que creen que en los años alrededor de 2006, los planes están llenos de incertidumbre debido a lo que parecen ser limitaciones insuperables de los dispositivos físicos.

En la edición de Ciencia de Sept. 24 de 1999, Paul Packan de Intel en su artículo “Empujando los límites” establece que la ley de Moore “parece ahora estar en serio peligro”. En el artículo también describe algunas de las dificultades técnicas que se esperan encontrar en esta década en los intentos para mantener esta tasa de mejoramiento. Esos temas técnicos producirán, de acuerdo con el Dr. Packan, “el reto más difícil que la industria del semiconductor ha encarado nunca”.

En los circuitos integrados actuales, la barrera aislante entre una compuerta del transistor y su canal entre fuente y drenado es solo de algunos atomos de grosor. Una de las limitaciones físicas descritas por el Dr. Packan es que las compuertas del transistor, confirme se sigan miniaturizando, serán tan delgadas, que se presentarán efectos de “tunelamiento cuántico”. Estos efectos cuánticos crearán lagunas de corriente a través de la compuerta cuando el interruptor esté en “off” que es una fracción significante de la corriente de canal cuando el dispositivo está en “on”. Esto reduciria la fiabilidad de los transistores resultando en mayor costo y menor disponibilidad de chips más poderosos. En su momento, esto afectaria a todos los dispositivos que usan chips de computadora, desde tels. celulares hasta computadoras personales y de negocios.

La nueva realidad — Top Secret.

Asi se conoce, en general, el estado de la computación cuántica hasta el año de 2003. Hoy en dia (iniciando el año 2007), se hace patente que el tipo de información que los laboratorios de investigación ponen a disposición del publico en general, se ha venido modificando notoriamente, de tal manera que no se puede saber a ciencia cierta el avance actual en la construcción de computadoras cuánticas. De forma que, la tecnología de la computadora cuántica pasó a ser información clasificada. La carrera tecnológica está de nuevo en fase de ebullición. Los nuevos conocimientos que la computación cuántica está arrojando no son en principio para todos, solo de quienes han invertido en ella –la industria militar, financiera y bancaria–. Los grandes beneficios tardarán años en llegar a un nivel publico, y quien quiera disfrutar de ellos tendrá que pagar el precio, que dista mucho de ser sólo económico, sino que conlleva costos en aspectos sociales muy cuestionables –como el sometimiento politico–, ahondando con este proceso de control las de por si ya gigantescas diferencias entre los paises. Como quiera que sea, una nueva revolución tecnológica está por explotar, con implicaciones tan profundas, que nos llevará a percibir una nueva realidad.

Victor Kallen