Comunicaciones y computadoras ultrarr¨¢pidas para el futuro
La carrera por conseguir el primer ordenador cu¨¢ntico podr¨ªa haber entrado en una etapa clave. Seg¨²n publica la revista Nature en su edici¨®n de hoy, dos de los principales obst¨¢culos que hasta ahora limitaban su progreso podr¨¢n superarse satisfactoriamente gracias a la aportaci¨®n del espa?ol Jos¨¦ Ignacio Cirac, f¨ªsico te¨®rico en la universidad austriaca de Innsbruck. Cirac, junto con el tambi¨¦n f¨ªsico Peter Zoller, propone un nuevo modelo para el dise?o de ordenadores cu¨¢nticos que permite incrementar sin l¨ªmite el n¨²mero de part¨ªculas sobre las que se sustenta su funcionamiento.
La miniaturizaci¨®n en aumento de los componentes electr¨®nicos que forman los ordenadores actuales hicieron ya pensar hace unos a?os a los f¨ªsicos lo que podr¨ªa pasar si la escala de tama?os se redujera tanto que se empezaran a manifestar los fen¨®menos cu¨¢nticos, imperceptibles en la escala de la vida cotidiana, pero predominantes en la escala at¨®mica. En un ordenador tradicional, los fen¨®menos cu¨¢nticos representan un obst¨¢culo para su funcionamiento, pero esto cambia completamente si el enfoque se dirige a lograr la computaci¨®n (el proceso de informaci¨®n) bas¨¢ndose en las propiedades de la mec¨¢nica cu¨¢ntica.La principal caracter¨ªstica de un ordenador cu¨¢ntico ser¨ªa su rapidez. En s¨®lo unos minutos har¨ªa c¨¢lculos que hoy se tardar¨ªan a?os y a?os en realizar, como la factorizaci¨®n de n¨²meros (su descomposici¨®n en n¨²meros primos). Esta propiedad es una amenaza para las comunicaciones encriptadas, tan utilizadas en la actualidad, que se basan en la dificultad de factorizar n¨²meros. Por otra parte, sin embargo, el inter¨¦s por las comunicaciones basadas en fen¨®menos cu¨¢nticos es grande porque no habr¨ªa posibilidad de interceptar las informaciones transmitidas sin que los que las reciben se enteraran.
Superposici¨®n
La gran diferencia entre procesar informaci¨®n en el mundo cu¨¢ntico y en el cl¨¢sico es que, en un ordenador cl¨¢sico, todos los bits (unidades) de informaci¨®n son ceros o unos, s¨®lo existen dos estados. Sin embargo, un bit cu¨¢ntico (un qubit, en la jerga de los f¨ªsicos), puede ser una mezcla de ambos. Los objetos cu¨¢nticos pueden existir en una superposici¨®n de estados, como el famoso gato de Schr?dinger, que ni est¨¢ vivo ni est¨¢ muerto hasta que se interfiere con el sistema al observarlo.
Trasladado el concepto a una serie de interruptores cu¨¢nticos, que ser¨ªan ¨¢tomos en diferentes estados de excitaci¨®n, resulta que existen muchas m¨¢s configuraciones posibles de qubits que en una serie de interruptores cl¨¢sicos. Si en una memoria cl¨¢sica de tres bits se puede almacenar s¨®lo una de las ocho combinaciones posibles de unos y ceros, en una memoria semejante cu¨¢ntica se pueden almacenar las ocho, en una superposici¨®n de estados.
El problema es plasmar estas ideas en m¨¢quinas, en dispositivos f¨ªsicos. A pesar de los recientes avances, todav¨ªa pueden quedar 20 a?os para que la computaci¨®n cu¨¢ntica empiece a ser una realidad. A medida que aumenta la cantidad de informaci¨®n que habr¨ªa que manejar, los expertos creen ver obst¨¢culos casi insalvables en el horizonte, pero los avances en los ¨²ltimos a?os han sido mayores de lo que nadie se imaginaba.
Un f¨ªsico espa?ol despeja el camino para el dise?o de los primeros ordenadores cu¨¢nticos Los cient¨ªficos luchan por superar los l¨ªmites de velocidad de la inform¨¢tica convencional
Cirac, de 34 a?os, pas¨® por la Universidad de Harvard, en EEUU, antes de recalar en la de Innsbruck, en Austria, donde empez¨® a trabajar con Zoller y public¨® en 1995 el primer art¨ªculo que le dio a conocer en el mundillo de la computaci¨®n cu¨¢ntica, todav¨ªa en mantillas. El nuevo trabajo de Cirac y Zoller parte de un principio b¨¢sico de la mec¨¢nica cu¨¢ntica, el llamado estado de entanglement, t¨¦rmino que podr¨ªa traducirse como entrelazamiento. Seg¨²n el mismo, la modificaci¨®n de un cuanto de energ¨ªa, por ejemplo un fot¨®n, se traduce de forma instant¨¢nea en la modificaci¨®n de un segundo cuanto ubicado a una cierta distancia y sin que medie ning¨²n tipo de conexi¨®n f¨ªsica entre ambos. Cirac, que define este tipo de estados como "algo m¨¢gico", logr¨® trasladar en 1995 este concepto al mundo corriente. Este paso se consider¨® entonces b¨¢sico para iniciar la construcci¨®n de los primeros prototipos de ordenadores cu¨¢nticos. "Durante mucho tiempo", explic¨® Cirac a EL PA?S recientemente en el Museo de la Ciencia de Barcelona, "se persigui¨® el estado entangled en part¨ªculas f¨ªsicas". De conseguirlo, a?ad¨ªa, podr¨ªa aplicarse este principio a la computaci¨®n cu¨¢ntica.
Cambio autom¨¢tico
Cirac y Zoller lo hicieron con iones (¨¢tomos cargados). "Vimos que si toc¨¢bamos un ion con un l¨¢ser, un segundo ion cambiaba autom¨¢ticamente de estado". Esta propiedad encontr¨® aplicaci¨®n directa en el mundo de la computaci¨®n. La clave de la misma era tratar de sustituir los mecanismos que transforman y transmiten una informaci¨®n en forma de ceros y unos en los ordenadores convencionales, por otros basados en estos cambios instant¨¢neos de estado.
Lo que al menos te¨®ricamente se iba a ganar era sobre todo velocidad de c¨¢lculo. ?C¨®mo? Eliminando los tiempos necesarios para transformar un paquete de informaci¨®n en ceros y unos y, particularmente, su circulaci¨®n por los circuitos electr¨®nicos. Para un c¨¢lculo simple la ganancia ser¨ªa m¨ªnima, pero para uno complejo, como por ejemplo el dise?o de un ala de avi¨®n, ser¨ªa enorme: de d¨ªas de c¨¢lculo con el ordenador m¨¢s potente se podr¨ªa pasar a un resultado casi instant¨¢neo.
Los primeros prototipos, sin embargo, han topado con enormes restricciones. Por ahora, se?ala Cirac, se trabaja con tan s¨®lo dos o tres part¨ªculas entrelazadas. "Y a medida que aumentamos el n¨²mero", puntualiza, "aumenta la complejidad del sistema". El investigador propone un modelo que permite ampliar sin l¨ªmite aparente el n¨²mero de part¨ªculas entrelazadas aplicadas directamente al sistema. Es lo que denomina principio de escalabilidad y que se basa en capturar los iones en celdillas independientes. Algo as¨ª como trampas i¨®nicas.
Esta disposici¨®n elimina otra importante restricci¨®n, en este caso de car¨¢cter tecnol¨®gico. "Para conseguir el estado de entrelazamiento", cuenta Cirac, "era preciso enfriar, detener los iones". Este proceso se logra mediante la acci¨®n de un l¨¢ser que enfoca a las part¨ªculas, pero nunca con un 100% de perfecci¨®n. Ello implica la acumulaci¨®n de errores que llevan al fracaso del sistema. El modelo de Cirac no requiere que los iones se est¨¦n quietos.
El problema, a partir de ahora, seg¨²n Cirac, va a ser m¨¢s tecnol¨®gico que conceptual. "Las claves que definen al ordenador cu¨¢ntico", opina, "empiezan a estar consolidadas, sabemos qu¨¦ hay que hacer". Pero todav¨ªa no se sabe c¨®mo. El primer paso, indica, deber¨ªa ser aumentar el n¨²mero de part¨ªculas entrelazadas para dotar al ordenador cu¨¢ntico de la potencia o la capacidad de c¨¢lculo suficientes. Seg¨²n estimaciones, ello se conseguir¨ªa con un m¨ªnimo de mil part¨ªculas, aunque se especula que ser¨ªan precisas unas 100.000 para una m¨¢quina capaz.
Activar las part¨ªculas
Adem¨¢s de c¨®mo ubicar estas part¨ªculas, habr¨ªa que resolver tambi¨¦n c¨®mo activarlas, es decir, c¨®mo modificar su estado, para que la modificaci¨®n se transfiriera a las part¨ªculas hom¨®logas, y esto no llevara a la acumulaci¨®n de errores. Todas estas cuestiones, seg¨²n este f¨ªsico, llevar¨¢n al menos un par de d¨¦cadas. "No creo que en los pr¨®ximos 20 a?os exista ninguna computadora cu¨¢ntica capaz de competir con los ordenadores actuales", dice el investigador espa?ol. Pero s¨ª lo habr¨¢, sentencia, en los pr¨®ximos decenios. Otros investigadores de prestigio se?alan, sin embargo, que las aplicaciones de los ordenadores cu¨¢nticos, si es que alguna vez llegan, ser¨ªan para usos muy espec¨ªficos, por ejemplo en criptograf¨ªa.
Pero la investigaci¨®n avanza y nadie niega que es muy interesante en s¨ª misma. Hace s¨®lo tres semanas, y tambi¨¦n en Nature, cient¨ªficos de EEUU anunciaron que hab¨ªan logrado en un experimento el entanglement de cuatro part¨ªculas. Este experimento, realizado en el Instituto Nacional de Est¨¢ndares y Tecnolog¨ªa (Colorado) "se deriva de la puesta en pr¨¢ctica de la primera idea de Ignacio Cirac", explicaba ayer a EL PA?S Luis Orozco, profesor de f¨ªsica de la Universidad del Estado de Nueva York en Stony Brook, informa Alicia Rivera.
"La propuesta original de Ignacio para usar iones ha sido la m¨¢s influyente en el desarrollo de ordenadores cu¨¢nticos, porque realmente se ha podido desarrollar en laboratorios", contin¨²a Orozco. La construcci¨®n de ordenadores cu¨¢nticos est¨¢ todav¨ªa lejos, "pero el paso de hacer uno m¨¢s grande ser¨ªa importante", comenta Orozco. Sobre la nueva idea de Cirac, dice: "Ahora se trata de intentar llevar la idea de Ignacio a la pr¨¢ctica en los experimentos".
Hacia el teletransporte
En el mundo de la mec¨¢nica cu¨¢ntica, los conceptos pueden parecer irreales e ininteligibles para la inmensa mayor¨ªa de los mortales. Las leyes que la rigen poco o nada tienen que ver con el mundo material sobre el que se han construido las teor¨ªas de la mec¨¢nica cl¨¢sica o de la f¨ªsica general. Cirac, un joven f¨ªsico te¨®rico espa?ol de 34 a?os que en los ¨²ltimos a?os se ha convertido en uno de los autores m¨¢s citados de la literatura cient¨ªfica en el campo de la computaci¨®n cu¨¢ntica, lo describe sin ambages: "Todo cuanto sucede (en la mec¨¢nica cu¨¢ntica) escapa a la percepci¨®n humana". ?Y qu¨¦ es lo que sucede? Pues cosas como que un cuanto puede atravesar literalmente una pared, un medio f¨ªsico, sin que su estructura se vea alterada, inducir un cambio de estado a un segundo cuanto sin conexi¨®n entre ambos o, m¨¢s complejo todav¨ªa, nadie puede predecir sus propiedades hasta que las ve. "S¨®lo sabemos lo que vemos, pero nunca podemos saber sin ver", matiza Cirac. Ser¨ªa como decir que la Luna est¨¢ ah¨ª s¨®lo cuando la vemos.
Pero estos principios de la mec¨¢nica cu¨¢ntica se est¨¢n empezando a aplicar al mundo real. En el caso de la computaci¨®n, casi por obligaci¨®n: la progresiva miniaturizaci¨®n electr¨®nica en los ordenadores convencionales alcanzar¨¢ su techo probablemente hacia 2010, seg¨²n estimaciones de los expertos. Un l¨ªmite demasiado cercano para no pensar en una alternativa.
Una segunda aplicaci¨®n, mucho m¨¢s desarrollada, se basa en el teletransporte definido a partir de la capacidad de entrelazar dos part¨ªculas a distancia. Experimentos realizados en el Instituto de F¨ªsica Te¨®rica de la Universidad de Innsbruck (Austria), donde trabaja Cirac, han demostrado que este sistema es seguro para la transmisi¨®n de mensajes secretos a 10 y 40 kil¨®metros de distancia.
Se trata de hacer interaccionar un paquete de informaci¨®n (part¨ªculas que definen ceros y unos) con una part¨ªcula en estado de entrelazamiento. Se toca esa part¨ªcula, por ejemplo con un l¨¢ser y, autom¨¢ticamente el resultado de esa interacci¨®n se da en un punto lejano. Podr¨ªa ser un laboratorio o un banco situado en Madrid y otro centro en Washington. Basta, entonces, con un descodificador que sea capaz de leer el resultado de la interacci¨®n. Este tipo de sistemas, que suponen la base de la comunicaci¨®n cu¨¢ntica, est¨¢n siendo probados con ¨¦xito en Estados Unidos y Europa.
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