La danza de los ¨¢tomos

La ¨²nica pista de que algo extraordinario est¨¢ ocurriendo en el interior del edificio de estuco marr¨®n del Laboratorio Nacional de Los ?lamos (Nuevo M¨¦xico, EE UU) es el cartelito de metal que cuelga en su parte delantera: '?Peligro! Campo magn¨¦tico en uso. Mant¨¦ngase en la acera'. Al menor acercamiento, se corre el riesgo de que se le borren las bandas magn¨¦ticas de las tarjetas de cr¨¦dito. El potente campo emana de los imanes superconductores y superenfriados del interior de una m¨¢quina con aspecto de tanque, que se llama espectr¨®metro de resonancia magn¨¦tica nuclear (RMN).

El aparato en s¨ª no tiene nada de especial. Las m¨¢quinas de resonancia magn¨¦tica nuclear se utilizan en los laboratorios qu¨ªmicos de todo el mundo para representar la arquitectura de las mol¨¦culas mediante la percepci¨®n de la forma en que bailan los ¨¢tomos al ritmo de las ondas electromagn¨¦ticas. Cl¨ªnicas y hospitales utilizan la misma tecnolog¨ªa para escanear los tejidos del cuerpo humano.

La m¨¢quina de Los ?lamos ha sido reclutada para otro fin: llevar a cabo un experimento de inform¨¢tica cu¨¢ntica. Empleando ondas de radio para manipular los ¨¢tomos como si fueran cuentas del ¨¢baco cu¨¢ntico, los cient¨ªficos de Los ?lamos engatusar¨¢n a una mol¨¦cula denominada ¨¢cido crot¨®nico para que ejecute un sencillo programa inform¨¢tico.

El a?o pasado establecieron un r¨¦cord al llevar a cabo un c¨¢lculo con siete ¨¢tomos. Este a?o apuntan a 10, aunque la cifra no suene a gran cosa.

Cada uno de los ¨¢tomos se puede entender como un peque?o interruptor, como un registro que contiene un '1' o un '0', y el m¨¢s reciente microprocesador Pentium contiene 42 millones de estos dispositivos. Pero las parad¨®jicas leyes de la mec¨¢nica cu¨¢ntica tienen una poderosa ventaja: un ¨²nico ¨¢tomo puede hacer dos c¨¢lculos a la vez. Dos ¨¢tomos pueden hacer cuatro (2 elevado a 2), y tres pueden hacer ocho (2 elevado a 3) c¨¢lculos, como se explica m¨¢s adelante. Al llegar a 10, multiplicando por dos una y otra vez por el camino, se tiene un min¨²sculo ordenador que puede ejecutar 1.024 (210) c¨¢lculos a la vez.

Si los cient¨ªficos son capaces de encontrar la forma de aprovechar este logro y abarcar 20 ¨¢tomos, podr¨¢n ejecutar un mill¨®n de c¨¢lculos simult¨¢neos, que con 40 ¨¢tomos se convertir¨ªan en 10 billones.

El objetivo final, que todav¨ªa no es m¨¢s que una esperanza lejana, consiste en aprovechar miles de ¨¢tomos para que la m¨¢quina sea tan potente que pueda descifrar f¨¢cilmente c¨®digos que ahora se consideran irresolubles, y adem¨¢s solucionar otros problemas que son imposibles incluso para el superordenador m¨¢s r¨¢pido.

Algunos te¨®ricos observan con inter¨¦s el programa que Raymon Laflamme, uno de los directores del proyecto, y su colega Emmanuel Knill est¨¢n ejecutando, que en realidad es un procedimiento para detectar y corregir los errores que inevitablemente se generan durante los delicad¨ªsimos c¨¢lculos cu¨¢nticos, un paso crucial para las tecnolog¨ªas cu¨¢nticas del futuro.

Recientemente, los investigadores han utilizado la tecnolog¨ªa RMN para hacer que las mol¨¦culas ejecuten programas rudimentarios, como una b¨²squeda en una base de datos utilizando menos pasos de los que un ordenador corriente necesita. (Como muestra de lo primitiva que sigue siendo la tecnolog¨ªa, la base de datos no era m¨¢s que una lista de ocho n¨²meros). El algoritmo de correcci¨®n de errores de Knill y Laflamme a¨²n es bastante simple, pero es uno de los ejemplos m¨¢s complejos de programa inform¨¢tico cu¨¢ntico que se haya ejecutado hasta la fecha.

En principio, el c¨¢lculo no es m¨¢s que una cuesti¨®n de entremezclar bits, los unos y los ceros de la aritm¨¦tica binaria. As¨ª, supongamos que un ¨¢tomo que apunte hacia arriba significa 1, y que un ¨¢tomo que apunte hacia abajo significa 0. Si se da la vuelta a estos bits cambiando los ¨¢tomos con rayos l¨¢ser u ondas de radio, el resultado es un ordenador min¨²sculo.

Pero eso no ser¨ªa m¨¢s que el comienzo. La mec¨¢nica cu¨¢ntica, las normas que gobiernan las part¨ªculas subat¨®micas, dicta que estos bits cu¨¢nticos, denominados qubits, tambi¨¦n pueden estar en superposici¨®n, indicando a la vez 1 y 0. Dos ¨¢tomos pueden estar simult¨¢neamente en cuatro estados: 00, 01, 10 y 11. Tres ¨¢tomos pueden decir ocho cosas a la vez: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111. Por cada ¨¢tomo que se a?ada a la cadena, el n¨²mero de posibilidades se incrementa exponencialmente por dos.

Todo esto s¨®lo interesaba a los eruditos hasta 1994, cuando Peter Shor, un investigador de los Laboratorios AT&T en Nueva Jersey, demostr¨® que un ordenador cu¨¢ntico es capaz de encontrar los factores de n¨²meros largos, que es un problema que desconcierta a los cerebros humanos y a los superordenadores. Como los c¨®digos que se utilizan para proteger los secretos militares y financieros dependen de que esta tarea sea pr¨¢cticamente imposible, empez¨® a llover dinero gubernamental en lugares como Los ?lamos, con lo que te¨®ricos como Laflamme y Knill pudieron empezar a convertir en realidad los experimentos pensados.

Los laboratorios han estado utilizando tecnolog¨ªas ex¨®ticas en los ¨²ltimos a?os para aislar peque?os n¨²meros de ¨¢tomos y empujarles a que ejecuten c¨¢lculos sencillos. El grupo de Laflamme y Knill es uno de los que han estado probando un m¨¦todo diferente: utilizar la resonancia magn¨¦tica ya disponible, en la que las mol¨¦culas -cadenas de ¨¢tomos- quedan aprisionadas en intensos campos magn¨¦ticos y se manipulan con ondas de radio.

Este planteamiento es posible porque los n¨²cleos de algunos ¨¢tomos est¨¢n dotados de una cualidad denominada spin. Act¨²an como peque?as peonzas que rotan en presencia de un campo magn¨¦tico. Si el n¨²cleo gira en el sentido contrario al de las agujas del reloj, el eje de su spin apunta hacia arriba. Si se da la vuelta, rota en el sentido de las agujas del reloj, y es el spin hacia abajo. Al sacudir estos n¨²cleos con impulsos de ondas de radio de alta frecuencia cambian entre las dos posiciones, arriba y abajo. Y como las mol¨¦culas emiten d¨¦biles se?ales electromagn¨¦ticas, se puede controlar el progreso del experimento en una pantalla de ordenador.

Esta t¨¦cnica es una herramienta demostrada para los qu¨ªmicos, que la utilizan para generar gr¨¢ficos, denominados espectros, que aportan informaci¨®n sobre la estructura de los compuestos qu¨ªmicos. Hace varios a?os, algunos cient¨ªficos se dieron cuenta de que pod¨ªa utilizarse para un fin muy distinto. Llamemos a arriba '1' y a abajo '0', y tendremos un min¨²sculo interruptor molecular. En palabras de Laflamme, 'la gente lleva mucho tiempo haciendo inform¨¢tica cu¨¢ntica, pero no lo sab¨ªa'.

Durante el reciente experimento, tanto Laflamme como Knill se sentaron frente a una estaci¨®n de trabajo que hab¨ªa sido modificada y programada para controlar la m¨¢quina de resonancia magn¨¦tica. Su objetivo era conseguir que una cadena de cinco n¨²cleos ejecutara el algoritmo de correcci¨®n de errores.

Donde dijo '1', dice '0'...

Los errores se producen cuando un bit se da la vuelta accidentalmente y dice '1' cuando en realidad quiere decir '0', o viceversa. Los ordenadores corrientes pueden protegerse de este error utilizando la redundancia. En un programa, los datos se env¨ªan por triplicado, de forma que 101 se convierte en 111000111. Programas peque?os y sencillos est¨¢n alerta en busca de los tr¨ªos corruptos como 010 o 110, y restauran los bits equivocados para que se ajusten a los otros dos. Para la inform¨¢tica cu¨¢ntica, la correcci¨®n de errores es m¨¢s complicada. Se protege un qubit mediante el uso de un complejo programa que despliega su valor por un grupo de cinco qubits que est¨¢n enmara?ados (entangled) cu¨¢nticamente. Eso significa que si uno de los qubits se corrompe, su valor original puede recuperarse analizando los otros cuatro.

En el experimento, los cinco qubits estar¨¢n representados por los n¨²cleos de cinco ¨¢tomos en una mol¨¦cula de ¨¢cido crot¨®nico. De forma esquem¨¢tica se puede imaginar como una cadena de cinco cuentas, aunque la disposici¨®n es algo m¨¢s complicada. Cuatro de las cuentas son n¨²cleos de carbono 13 y la otra es un grupo de tres n¨²cleos de hidr¨®geno, parte de una estructura denominada grupo metilo, que se trata como un ¨²nico elemento.

A medida que transcurre el c¨¢lculo, el ordenador controlar¨¢ y mostrar¨¢ las min¨²sculas se?ales emitidas por las mol¨¦culas como una l¨ªnea en zigzag horizontal, en la que los picos indican los qubits. La introducci¨®n de un error permite comprobar que el sistema funciona.