La Computación Cuántica, en los Límites de la Naturaleza

09/01/2009
La Computación Cuántica, en los Límites de la Naturaleza
Dr. Rubens Arizmendi
Autor: 
Dr. Rubens Arizmendi
Systems Engineer, Expert in Mathematics, Computation and Systems. Ingeniero de la Universidad de Montevideo-Uruguay. Studies in M.I.T. (USA). Doctor of Science in Information Systems Engineering, Tecana American University.

El que fuera primer editorial de la publicación oficial de Tecana American University, en abril de 2007, y de cuya autoría me honró nuestra Universidad, se refirió a la Computación Cuántica, tema que comenzaba a ocupar dedicada y sostenida investigación a cargo de figuras prestigiosas de la Mecánica y la Física Cuánticas. Más de dos años han pasado y en esta nueva oportunidad me corresponde la feliz circunstancia de presentar nuevos y enormes pasos de avance en esta realidad cuántica que revoluciona al mundo de la información y que apunta ahora a su más portentoso Producto: la Internet.

Me permito recomendar al lector darse una pasada por ese Editorial inaugural que se encuentra dentro de este mismo link, dado que el mismo sirve de base a la descripción de los nuevos adelantos en este apasionante tema, así como los términos y definiciones que consideraremos usuales en la redacción.

Las nuevas estructuras cuánticas deben insertarse en Internet de modo que el potencial ilimitado de crecimiento que aportarán a la Red de Redes que abraza al Universo mantenga la confidencialidad e integridad en la transferencia de información y no afecte la velocidad en la trasmisión. Científicos daneses han logrado almacenar impulsos de luz en átomos mediante un protocolo que confiere un 70 por ciento de confiabilidad a los nuevos procesos, creando la memoria atómica equivalente a la memoria Ram de las máquinas actuales dentro de átomos de gas de Cesio con lo cual se supera el poder de la nanotecnología donde se almacenaba un qubit estable durante 100 femtosegundos, llevándole en la actualidad a la increíble retención de ¡4 milisegundos!, todo un milagro o una hazaña científica.

La teoría cuántica establece que la luz puede comportarse al mismo tiempo como partícula u onda. La información trasmitida en Internet ya se lleva a cabo mediante Pulsos de luz y dos importantes propiedades de esta señal como su amplitud y su fase (básicas en el fenómeno de la modulación) pueden transferirse a la materia con gran fidelidad superando posibles obstáculos en el desarrollo de las comunicaciones cuánticas.

El Ingeniero Aeronáutico español Juan Ignacio Cirac, Director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Munich (Alemania), uno de los ganadores del Premio Fundación BBVA “Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas” y su compañero el austríaco Peter Zoller predicen que “puede proyectarse un mundo subjetivo, en el que algo no existe hasta que una persona toma conciencia de su existencia, y permitirle usarlo prácticamente en forma universal “.

 

El “gato encerrado”

Por lo pintoresco menciono la historia del “gato encerrado”, con la que el físico austríaco Erwin Schrödinger pretende ilustrar uno de los muchos fenómenos de la mecánica cuántica que parecen ir en contra del sentido común: los estados intermedios.

Así es, y la teoría figura en el primer editorial antes referido, en el mundo subatómico es un hecho bastante común hablar de un estado intermedio entre dos o más estados hasta el momento de efectuar una medida. Para ilustrar las diferencias entre interacción y medida en el campo de la mecánica cuántica, a Schrödinger se le ocurrió el siguiente experimento imaginario:

“Supongamos un sistema formado por una caja cerrada y opaca que contiene un gato vivo, una botella de gas venenoso, una partícula radiactiva con un 50% de probabilidades de desintegrarse y un dispositivo tal que, si la partícula se desintegra, se rompe la botella y el gato muere. Al depender todo el sistema del estado final de un único átomo que actúa según la mecánica cuántica, tanto la partícula como el gato forman parte de un sistema sometido a las leyes de la mecánica cuántica.

Al cabo de un tiempo no se sabe si el gato está vivo o muerto. Lo más que se puede hacer es aventurar probabilidades (cuanto más tiempo pase más posibilidades de estar muerto), pero mientras no se abra la caja, el gato está en un estado tal que está vivo y muerto a la vez.

Como la Computación Cuántica aún se halla  detectando y resolviendo uno de sus propios apasionantes problemas, la dificultad de mantener al bit cuántico, el Qubit, en un estado tal que pueda almacenar dos valores a la vez en lugar de uno solo como el bit binario, debe superar el sistema de captura y refrescamiento del impulso electrónico, normal según usa la Física clásica. Pero, la mínima interacción o contacto con el entorno obliga al qubit a adoptar valor Cero o Uno, a definirse por Si o NO, (la Decoherencia de que habla nuestro primer articulo), anulándose la posibilidad de efectuar cómputos en paralelo .La Mecánica Cuántica sostiene que cuando se trata de observar y estudiar objetos del tamaño igual o menor que el átomo, es imposible hacer observaciones objetivas que no perturben de manera importante a dicho objeto. El principio que rige en este caso se llama “De Incertidumbre de Heisenberg”, el cual limita la precisión de cualquier observación sobre partículas subatómicas pues se afecta de modo incontrolable el equilibrio entre las diferentes variables que componen la partícula. Dicho de otra manera, en el mundo del átomo se pierden las trayectorias objetivas habituales de la experiencia diaria.

Como se dijo antes, se ha logrado fabricar qubits con una duración de pequeñas fracciones de segundos de vida manipulando los núcleos atómicos de moléculas en una solución, y aún en estado sólido por medio de metal y silicón, pero todavía no son fáciles de agrupar de manera de explotar sus increíbles posibilidades de cómputo.

Es así que en el momento en que se abra la caja, la sola acción de observar  al gato modifica su estado, haciendo que pase a estar solamente vivo, o solamente muerto. Se pierde la “superposición cuántica.” (Concepto explicado en el primer Editorial) de modo que según  Schrödinger, la realidad en el mundo cuántico, es en último término producto de la observación (en este caso humana, puede ser de otro tipo.)

Esta “paradoja de Schrödinger” es un experimento imaginario. Se señaló antes que al depender todo el sistema del estado final de un único átomo que actúa según las leyes de la mecánica cuántica, tanto la partícula como la vida del gato estarán sometidos a ellas, y de acuerdo a dichas leyes, el sistema gato-dispositivo no puede separarse en sus componentes originales (gato y dispositivo) a menos que se haga una “medición” sobre el sistema. El sistema gato-dispositivo está en un entrelazamiento, Verschränkung, en alemán originalmente.

Mientras la caja no se abra, el sistema, descrito por una función de onda, tiene aspectos de un gato vivo y aspectos de un gato muerto, por tanto, sólo podemos predicar sobre la potencialidad del estado final del gato y nada del propio gato. En el momento en que abramos la caja, la sola acción de observar modifica el estado del sistema tal que ahora observamos un gato vivo o un gato muerto. La física cuántica postula que la pregunta sobre la vida del gato sólo puede responderse probabilísticamente.

La paradoja ha sido objeto de gran controversia (tanto científica como filosófica) al punto que Stephen Hawking ha dicho: «cada vez que escucho hablar de ese gato, empiezo a sacar mi pistola», aludiendo al “suicidio cuántico”, una variante del experimento de Schrödinger.

Recientemente se está enfocando una técnica conocida como “corrección cuántica de errores”, que resuelve parcialmente el problema, pero una solución realmente satisfactoria aún no ha sido aceptada. Cuando se consiga, se dará un paso gigante en la realización del ordenador cuántico y la manipulación y proceso de la información cuántica.

 

Aplicaciones factibles

Las dos aplicaciones más importantes de la computación cuántica se han dado en experimentos de la criptografía y la computación. Mediante la primera ha sido posible enviar y recibir mensajes cifrados con total seguridad de una clave indescifrable, cosa imposible con la computación clásica. Incluso, el procedimiento permitiría detectar sin esfuerzo la presencia de terceros que intentaran adentrarse en el sistema de trasmisión. Se han trasmitido mensajes entre puntos situados a más de 20 kilómetros conectados por fibra óptica y varios centenares de metros en el caso de trasmisión aérea. Otra realización imposible para un ordenador normal en  caso de un número mayor de 150 cifras es la extracción de sus factores primos, trabajo que la cuántica realiza en minutos.

Un computador cuántico podía construirse con dispositivos de dos tipos: iones confinados en cavidades electromagnéticas y estados RMN (Resonancia Magnética Nuclear) sobre moléculas. Aún se hallan en condición incipiente, así como un tercer método basado en dispositivos sólidos mesoscópicos, cuyo tamaño sería del orden de la micra.

Todavía la computación cuántica no ha logrado superar los obstáculos que le plantea la Naturaleza. El propio Einstein no podía creer que la Naturaleza fuera tan extraña con la física cuántica, que  no es tan joven pues supera los 100 años, pero ahora son centenares los laboratorios que están embarcados en sus investigaciones. Y su nuevo y temerario riesgo es enfrentarse con un solo computador que sería equivalente a millones de las calculadoras conocidas...