Los ordenadores del futuro

Cualquiera que compre un ordenador hoy en d¨ªa sabe que quedar¨¢ obsoleto en un par de a?os. Ahora damos por sentado el inexorable aumento de la potencia de los ordenadores. Pero eso no puede seguir as¨ª eternamente, al menos, si los ordenadores siguen estando basados en las actuales tecnolog¨ªas. Gordon Moore, cofundador de Intel y uno de los gur¨²s de la tecnolog¨ªa de la informaci¨®n, prev¨¦ que los m¨¦todos de miniaturizaci¨®n existentes s¨®lo ofrecer¨¢n dos generaciones m¨¢s de ordenadores antes de que se agote su capacidad.En 1965, Moore hizo una predicci¨®n que se vio confirmada con asombrosa precisi¨®n en las tres d¨¦cadas siguientes: la potencia de los ordenadores se duplicar¨ªa cada 18 meses. Este aumento se ha debido sobre todo al tama?o cada vez m¨¢s peque?o de los componentes electr¨®nicos, de forma que cada vez se pueden introducir m¨¢s de ellos en un microprocesador o chip. Un chip moderno de s¨®lo medio cent¨ªmetro cuadrado contiene muchos millones de diminutos componentes electr¨®nicos como los transistores. Cada uno mide menos de una micra de di¨¢metro, m¨¢s o menos la cent¨¦sima parte del grosor de un cabello humano.

Estos componentes est¨¢n hechos b¨¢sicamente de silicio, que conduce la electricidad, y de di¨®xido de silicio, que es un aislante. Para grabar las tarjetas de circuito en microprocesadores de silicio se emplea actualmente una t¨¦cnica llamada fotolitograf¨ªa, mediante la cual se forma sobre las capas de silicio o de di¨®xido de silicio una pel¨ªcula de pol¨ªmero que lleva el esquema del conjunto de circuitos. El patr¨®n del circuito se graba en la pel¨ªcula de pol¨ªmero exponi¨¦ndolo a la luz a trav¨¦s de una m¨¢scara. A continuaci¨®n se aplican sustancias qu¨ªmicas de grabado que corroen el material de silicio no protegido.

Limitaci¨®n

El tama?o de los elementos que se pueden crear mediante este procedimiento est¨¢ limitado por la longitud de onda de la luz utilizada para fijar el patr¨®n. Actualmente, pueden llegar a medir solamente una quinta parte de una micra. Pero para crear componentes electr¨®nicos a¨²n m¨¢s peque?os -de hasta una d¨¦cima parte de una micra de di¨¢metro- los fabricantes de microprocesadores necesitar¨¢n optar por una radiaci¨®n de una longitud de onda m¨¢s corta: la luz ultravioleta de menor longitud, los rayos X o los haces de electrones de alta energ¨ªa. Los grandes de los ordenadores todav¨ªa no se han puesto de acuerdo sobre qu¨¦ clase escoger, pero, en cualquier caso, los costes del desarrollo de la nueva tecnolog¨ªa y de la posterior variaci¨®n del proceso de producci¨®n ser¨¢n enormes. IBM, Motorola, Lucent Technologies y Lockheed Martin se han visto obligadas a colaborar en el desarrollo de la litograf¨ªa de rayos X.

Pero la miniaturizaci¨®n no est¨¢ limitada ¨²nicamente por la fotolitograf¨ªa. Aunque se puedan idear m¨¦todos para fabricar transistores y otros dispositivos de un tama?o a¨²n menor, ?seguir¨¢n funcionando eficazmente? La ley de Moore prev¨¦ que, para el a?o 2002, el elemento m¨¢s peque?o de un transistor de silicio, el aislante de la puerta, tendr¨¢ un di¨¢metro de s¨®lo 4 ¨® 5 ¨¢tomos. ?Seguir¨¢ proporcionando el aislamiento necesario esta capa tan fina?

Esta cuesti¨®n ha sido investigada recientemente por el f¨ªsico David Miller y sus compa?eros de Lucent Technologies. Utilizaron tecnolog¨ªas de fabricaci¨®n avanzadas para conseguir una pel¨ªcula de di¨®xido de silicio de un grosor de 5 ¨¢tomos que introdujeron entre dos capas de silicio. En comparaci¨®n, los microprocesadores comerciales tienen aislantes de unos 25 ¨¢tomos de grosor.

Miller y sus compa?eros descubrieron que su ultradelgado ¨®xido aislante ya no era capaz de aislar las capas de silicio. Los investigadores calcularon que un aislante de un grosor inferior a 4 ¨¢tomos de ancho tendr¨ªa tantas p¨¦rdidas que ser¨ªa in¨²til. De hecho, debido a las limitaciones para fabricar pel¨ªculas perfectamente lisas, incluso aislantes con el doble de grosor empezar¨ªan a romperse si se fabricasen con los m¨¦todos actuales.

Por consiguiente, los transistores de silicio convencionales habr¨¢n alcanzado sus dimensiones operativas m¨ªnimas en s¨®lo una d¨¦cada m¨¢s o menos. Muchos tecn¨®logos inform¨¢ticos afirman que, por el momento, el silicio es "lo que hay"; pero puede que lo que hay se acabe pronto.

Por otra parte, intentar imaginar el ordenador del futuro es arriesgarse a parecer tan absurdo como la ciencia ficci¨®n de los a?os cincuenta, cuya visi¨®n del futuro era el torpe robot Robbie. Sin embargo, a juzgar por los actuales sue?os de los tecn¨®logos, podremos prescindir de las cajas de pl¨¢stico y de los chips de silicio. Algunos dicen que los ordenadores se parecer¨¢n m¨¢s a organismos, sus cables e interruptores estar¨¢n compuestos de mol¨¦culas org¨¢nicas individuales. Otros hablan de practicar la inform¨¢tica en una cubeta de agua, salpicada con hebras de ADN, el material gen¨¦tico de las c¨¦lulas, o enriquecida con mol¨¦culas que manipulen datos como respuesta a las vibraciones de ondas de radio.

Una cosa parece segura: para que los ordenadores tengan cada vez m¨¢s potencia, sus componentes, los elementos b¨¢sicos de los circuitos l¨®gicos, tendr¨¢n que ser incre¨ªblemente diminutos. Si la actual tendencia a la miniaturizaci¨®n persiste, estos componentes alcanzar¨¢n el tama?o de mol¨¦culas individuales en menos de un par de d¨¦cadas, como hemos visto.

Los cient¨ªficos ya est¨¢n examinando el uso de mol¨¦culas de carbono llamadas nanotubos como cables de tama?o molecular que pueden ser utilizados para conectar componentes de silicio convencionales de estado s¨®lido.. Los nanotubos de carbono pueden medir s¨®lo unas cuantas millon¨¦simas de mil¨ªmetro, es decir, unos pocos nanometros, que equivale a menos de una d¨¦cima parte del di¨¢metro de los cables m¨¢s peque?os que se pueden grabar en los chips de silicio comerciales. Se trata de unos tubos huecos de carbono puro, que son extremadamente fuertes y tienen la atracci¨®n a?adida de que algunos de ellos conducen la electricidad. Los cient¨ªficos de la Universidad Stanford en California han cultivado a partir de gas metano nanotubos de carbono que conectan dos terminales de componentes electr¨®nicos.

Pero la conexi¨®n de los cables es la parte f¨¢cil. ?Pueden las mol¨¦culas procesar informaci¨®n binaria? Es decir, ?pueden combinar secuencias de bits (los unos y los ceros codificados como impulsos el¨¦ctricos en los ordenadores actuales) como las puertas l¨®gicas compuestas de transistores y de otros dispositivos de los chips de silicio? En una operaci¨®n l¨®gica, algunas combinaciones de unos y ceros en las se?ales de entrada generan otras combinaciones en las se?ales de salida. De esta manera, los datos son comparados, ordenados, a?adidos, multiplicados o manipulados de otras formas. Algunas operaciones l¨®gicas han sido llevadas a cabo por mol¨¦culas individuales, con los bits codificados no como impulsos el¨¦ctricos, sino como impulsos de luz o como otros componentes moleculares. Por ejemplo, una mol¨¦cula podr¨ªa descargar un fot¨®n -una part¨ªcula luminosa- si recibiera un ¨¢tomo de metal cargado y un fot¨®n de un color diferente, pero no si recibiera solamente uno de los dos. Sin embargo, nadie tiene una idea real de c¨®mo conectar estas mol¨¦culas a un circuito fiable y complejo que sirva para calcular, un aut¨¦ntico ordenador molecular. Algunos detractores dicen que la inform¨¢tica molecular nunca ser¨¢ viable.

C¨¢lculos con ADN

A principios de los a?os noventa, Leonard Adleman, de la Universidad de California del Sur, propuso una forma diferente de utilizar mol¨¦culas para calcular, e indic¨® que la base de datos de la propia c¨¦lula -el ADN- se puede utilizar para resolver problemas de c¨¢lculo.

Adleman se dio cuenta de que el ADN -b¨¢sicamente una cadena de cuatro componentes moleculares diferentes o bases que act¨²an como un c¨®digo de cuatro letras de la informaci¨®n gen¨¦tica- se parece notablemente al ordenador universal postulado en los a?os treinta por el genio matem¨¢tico Alan Turing, que almacena informaci¨®n binaria en una cinta. Diferentes cadenas de bases se pueden programar a voluntad en hebras sint¨¦ticas de ADN utilizando las t¨¦cnicas de la biotecnolog¨ªa moderna; y despu¨¦s estas hebras se pueden generar, cortar y ensamblar en cantidades ingentes. ?Se podr¨ªan utilizar estos m¨¦todos para con-

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vencer al ADN de que calculase como una m¨¢quina de Turing?

Adleman vio que el sistema del ADN podr¨ªa ser especialmente apto para resolver problemas de minimizaci¨®n, como por ejemplo encontrar la ruta m¨¢s corta para conectar varias ciudades. Este tipo de problemas es uno de los que m¨¢s les cuesta resolver a los ordenadores convencionales, ya que el n¨²mero de rutas posibles aumenta muy r¨¢pidamente a medida que se incluyen m¨¢s ciudades. Un ordenador corriente tarda mucho en examinar todas esas opciones. Pero si cada soluci¨®n posible est¨¢ codificadas en una hebra de ADN, el problema no parece tan terrible, porque incluso una simple pizca de ADN contiene muchos billones de mol¨¦culas. de forma que s¨®lo hace falta separar las hebras de ADN que tienen codificada la mejor soluci¨®n. Esto se puede hacer utilizando m¨¦todos biotecnol¨®gicos que reconocen secuencias cortas espec¨ªficas de las bases de una hebra de ADN.En realidad, este procedimiento no es m¨¢s que una forma ligeramente poco ortodoxa de encontrar una soluci¨®n: en primer lugar, encontrar todas las soluciones posibles y despu¨¦s utilizar operaciones l¨®gicas para elegir la correcta. Pero, como todo ocurre paralelamente -todas las posibles soluciones son creadas y examinadas al mismo tiempo- el proceso puede ser muy r¨¢pido.

El c¨¢lculo por ADN ha sido demostrado en principio, pero todav¨ªa no se ha probado que resuelva problemas que un ordenador convencional no pueda resolver. Parece m¨¢s apto para un conjunto de problemas bastante espec¨ªfico, como la minimizaci¨®n y la codificaci¨®n que como m¨¦todo de c¨¢lculo para cuestiones de todo tipo.

El mundo cu¨¢ntico

Ya en los a?os sesenta, algunos cient¨ªficos inform¨¢ticos se percataron de ad¨®nde les llevaba la miniaturizaci¨®n: hacia el reino cu¨¢ntico, donde las reglas contraintuitivas de la mec¨¢nica cu¨¢ntica gobiernan el comportamiento de la materia. A medida que los dispositivos convencionales de los circuitos se vuelven m¨¢s peque?os, los efectos cu¨¢nticos se convierten en un aspecto cada vez m¨¢s importante de su comportamiento. ?Podr¨ªa ser factible, se preguntaron, convertir esta posible complicaci¨®n en una ventaja?

Esta sugerencia dio fruto en los a?os ochenta, cuando los f¨ªsicos empezaron a observar atentamente c¨®mo podr¨ªa operar un ordenador bajo la influencia de la mec¨¢nica cu¨¢ntica. Lo que descubrieron fue que pod¨ªa ganar enormemente en velocidad.

La diferencia crucial entre procesar informaci¨®n en el mundo cu¨¢ntico y en el cl¨¢sico es que el primero no es blanco y negro. En un ordenador cl¨¢sico, todos los bits de informaci¨®n son o una cosa u otra: o un 1 ¨® un 0. Pero un bit cu¨¢ntico, un qubit, puede ser una mezcla de ambos. Los objetos cu¨¢nticos pueden existir en una superposici¨®n de estados que es cl¨¢sicamente exclusiva, como el famoso gato de Schr?dinger que no est¨¢ ni vivo, ni muerto, sino en una superposici¨®n de las dos cosas. Esto significa que una serie de interruptores cu¨¢nticos -objetos en estados cu¨¢nticos bien definidos, como ¨¢tomos en diferentes estados de excitaci¨®n- posee bastantes m¨¢s configuraciones de qubits que la correspondiente serie cl¨¢sica de bits. Por ejemplo, mientras que una memoria cl¨¢sica de tres bits puede almacenar s¨®lo una de las ocho configuraciones posibles de unos y ceros, la correspondiente serie cu¨¢ntica puede almacenar las ocho, en una superposici¨®n de estados. Esta multiplicidad de estados da a los ordenadores cu¨¢nticos bastante m¨¢s potencia y, por lo tanto, bastante m¨¢s velocidad, que a sus compa?eros cl¨¢sicos. Pero, en realidad, plasmar estas ideas en un dispositivo f¨ªsico supone un reto descomunal. Una superposici¨®n cu¨¢ntica de estados es una cosa muy delicada, y dif¨ªcil de mantener, sobre todo si est¨¢ extendida por un enorme conjunto de elementos l¨®gicos. Una vez que esta superposici¨®n empieza a interactuar con su entorno, comienza a desplomarse y la informaci¨®n cu¨¢ntica se pierde por los alrededores. Algunos investigadores creen que este problema volver¨¢ la inform¨¢tica cu¨¢ntica a gran escala -en la que grandes cantidades de datos son manipulados en multitud de pasos- imposiblemente delicada y dif¨ªcil de manejar. Pero el problema ha sido aminorado en los ¨²ltimos a?os por el desarrollo de algoritmos que permitir¨¢n funcionar a los ordenadores cu¨¢nticos, a pesar de los peque?os errores introducidos por este tipo de p¨¦rdidas. All¨¢ por 1947, cuando se invent¨® el transistor, nadie imaginaba lo r¨¢pidamente que llevar¨ªa a los superordenadores de hoy en d¨ªa. Quiz¨¢ ahora nos encontremos en un momento comparable con respecto a los ordenadores cu¨¢nticos, que se materializar¨¢n antes de lo que nadie osar¨ªa imaginar.