jueves, 1 de julio de 2010

A saltitos cuánticos: la emergencia de una tecnología.


Algunas veces tenemos la sensación, potenciada por muchos medios de comunicación y su necesidad de titulares, de que la ciencia y la técnica avanzan a grandes saltos, de revolución en revolución. Eso hace que a muchas tecnologías les pase lo que al lobo de Pedro, que se anuncian tanto que cuando vienen de verdad nadie hace caso. La historia sigue un guión conocido: se jalea un descubrimiento, se levantan expectativas exageradas y lo que sigue es la desilusión.

Sin embargo, apartados de la mirada impaciente del público, los científicos aportan mejoras progresivas, pequeños saltitos, que permiten acercarse furtivamente a lo que prometía la retórica revolucionaria de antaño. Esto es lo que sucedió con la secuenciación del genoma humano. Parece que también es el caso de la historia reciente de la computación cuántica.

Un ordenador normal almacena y procesa la información usando bits, que toman el valor de cero o de uno (representados físicamente por voltajes diferentes). Sin embargo, en ese extraño mundo que es la mecánica cuántica las partículas subatómicas pueden existir en diferentes estados a la vez. Esta “superposición” significa, por ejemplo, que el spin de un electrón puede no ser sólo “arriba” (representando, digamos, uno) o “abajo” (representando cero) sino también cualquier combinación lineal de los dos. En computación cuántica a todo este conjunto de posibilidades se le llama qubit.

Se pueden conseguir más qubits por un proceso que se llama entrelazamiento. Cada qubit extra entrelazado dobla el número de operaciones paralelas que pueden llevarse a cabo. Un dispositivo de tres qubits puede realizar 8 operaciones, uno de 4 qubits 16, y así sucesivamente. Al menos en teoría.

En la práctica los resultados obtenidos hasta ahora han sido desalentadores. Los ordenadores cuánticos experimentales requieren materiales raros, exóticos los llaman, y trabajan solamente muy poco por encima del cero absoluto. Pero se ha dado un pequeño saltito puede sacar a este sector del abismo de la desesperación. Primero, porque la computación se hace en silicio, lo mismo que usan los ordenadores actuales. Segundo, porque se hace a unos moderados -269 ºC, cuatro grados por encima del cero absoluto.

Los investigadores que han conseguido este doble logro son Thornton Greenland, del University College de Londres (Reino Unido), y sus colegas. Según cuentan en el artículo [1] que han publicado en Nature, primero doparon el silicio con fósforo para después conseguir, usando pulsos láser cortos de alta intensidad, convertir esos átomos de fósforo en átomos de Rydberg. Un átomo de Rydberg es un átomo excitado con uno o más electrones con números cuánticos principales muy altos. Estos átomos tienen características muy peculiares, entre ellas funciones de onda de los electrones que, bajo ciertas condiciones, se aproximan a las órbitas clásicas (las del átomo de Bohr). El radio de la órbita de estos electrones es proporcional al cuadrado del número cuántico principal, por lo que los átomos de Rydberg son enormes (en términos atómicos). Esta circunstancia permite que los átomos, que en estado normal estarían muy alejados como para interactuar, puedan entrelazarse. Es decir, se multiplican los qubits.

Una vez que sus funciones de onda se han expandido, los átomos se devuelven a su estado normal, provocando que emitan lo que se denomina un eco fotónico (un flas de luz controlado). Esto podría usarse para leer el resultado de cualquier cálculo que el sistema haya realizado.

El resultado es que se tiene algo que puede hacer cálculos y comunicar el resultado y, lo que es casi igual de importante, que puede fabricarse industrialmente usando el tipo de equipo que fabrica los chips convencionales. El que funcione a cuatro grados sobre el cero absoluto es además un gran avance. Puede que suene como tremendamente frío, pero es una temperatura que se puede mantener con relativa facilidad usando helio líquido, que hierve a 4,22 K.

El descubrimiento del equipo de Greenland nos acerca a una versión práctica de la computación cuántica. Y un segundo artículo [2] que también aparece en Nature, publicado por el equipo de Morgan Hedges, de la Universidad Nacional de Australia en Canberra, también avanza en otro aspecto necesario para obtener un ordenador cuántico, la memoria. En este caso una memoria cuántica que usa luz.

Los átomos y los electrones no son las únicas partículas que pueden entrelazarse. Los fotones también pueden. Si se los pudiera integrar en el mundo de la computación cuántica, serían muy útiles a la hora de transportar qubits de un sitio a otro. El problema que presenta la luz es su velocidad. A pesar de lo práctica que resulta para mandar información a grandes distancias mediante fibras ópticas, no ayuda en absoluto si hay que hacer un cálculo. Para que eso ocurra a la luz hay que inmovilizarla.

En 2008 [3] el equipo de Hugues de Riedmatten de la Universidad de Ginebra (Suiza) consiguió exactamente eso. Lo que construyeron fue, esencialmente, una cámara de eco en un chip y mantener un fotón allí durante 1 microsegundo (un tiempo en el que el fotón habría recorrido unos 300 metros). El resultado también se publicó en Nature.

La cámara de eco que ha construido el equipo de Hedges consigue resultados considerablemente mejores que estos. Usando cristales de ortosilicato de itrio e iones de praseodimio atrapó fotones en grupos de 500 cada vez. También demostró ser buena manteniendo el entrelazamiento, incrementando la cantidad de información cuántica que podía mantener sin ser corrompida o destruida hasta un nivel que podría ser suficiente como para tener un uso práctico [4].

Lo que acabamos de exponer no significa, ni mucho menos, que vaya a haber dentro de nada estanterías en los supermercados llenas de ordenadores cuánticos. Lo que sí significa es que los científicos que están explorando este mundo tienen dos trocitos más del mapa, que es como, en definitiva, se desarrolla una nueva tecnología, a pequeños saltitos cuánticos.

Referencias:

[1]

Greenland, P., Lynch, S., van der Meer, A., Murdin, B., Pidgeon, C., Redlich, B., Vinh, N., & Aeppli, G. (2010). Coherent control of Rydberg states in silicon Nature, 465 (7301), 1057-1061 DOI: 10.1038/nature09112

[2]

Hedges, M., Longdell, J., Li, Y., & Sellars, M. (2010). Efficient quantum memory for light Nature, 465 (7301), 1052-1056 DOI: 10.1038/nature09081

[3]

de Riedmatten, H., Afzelius, M., Staudt, M., Simon, C., & Gisin, N. (2008). A solid-state light–matter interface at the single-photon level Nature, 456 (7223), 773-777 DOI: 10.1038/nature07607

[4]


La imagen Escher2 es cortesía de Mark Arrasmith.