Computación cuántica y molecular

Corría la década de los 40 y aparecían los primeros ordenadores. Enormes artefactos lentos que llegaban a ocupar varias habitaciones llenas de armarios. Concretamente durante la II Guerra Mundial, fue un equipo de científicos y matemáticos que trabajaban en Bletchley Park, Londres, quienes construyeron lo que se consideró el primer ordenador digital totalmente electrónico, el Colossus. Una maquina que incorporaba 1.500 válvulas o tubos de vacío( iguales a las que tenían las radios antiguas), y que fue utilizado para descodificar los mensajes de radio cifrados de los alemanes.

No fue hasta finales de la década de los 50, cuando comenzó a utilizarse los transistores. Los componentes se hicieron mas pequeños, y se consiguieron maquinas de menor tamaño que utilizaban menos energía, además de tener una vida mas prolongada. Mas tarde apareció el circuito integrado, que posibilitó la fabricación de varios transistores en un único sustrato de silicio.

El microprocesador se convirtió en una realidad a mediados de la década de los 70 con la introducción del circuito de integración a gran escala, y más tarde con el circuito de integración a mayor escala con varios miles de transistores interconectados soldados sobre un único sustrato de silicio. Esto marco el inicio de la carrera de la microminiaturización. Actualmente los transistores que conforman los chips de silicio son cada vez mas pequeños, habiéndose llegado a conseguir un tamaño 800 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano (0.13 micras).

La velocidad y el tamaño de los microprocesadores están íntimamente relacionadas, ya que cuanto mas pequeños sean los transistores, menor será la distancia que debe recorrer la señal eléctrica pudiéndose hacer más rápidos. Al ser los transistores cada vez más pequeños, la cantidad de ellos contenidos en un microprocesador y por consiguiente su velocidad, se ha venido duplicando cada dos años. Diversos estudios revelan que este ritmo no se puede mantener, y que el límite será alcanzado tarde o temprano, ya que si se sigue reduciendo el tamaño de estos, las interferencias de un transistor provocarían fallos en los transistores adyacentes.

Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones se escapan de los canales de donde deberían circular. Los electrones son partículas cuánticas y se comportan como ondas, existiendo la posibilidad de que una parte de ellos llegue a atravesar las paredes si estas llegan a ser demasiado finas. De este modo la señal pasaría por canales por donde no debería circular, y en consecuencia el chip dejaría de funcionar correctamente en el momento se llegue a este límite.

Puesto que ya se han llegado a escalas de cientos de nanómetros, surge la necesidad de descubrir una nueva tecnología, y es ahí donde surgen las investigaciones en computación cuántica y molecular. Con la idea de superar los limites de tamaño y velocidad, existen varios centros de investigación de todo el mundo, trabajando en dos lineas que podrían suponer el futuro de la informática. Los ordenadores cuánticos y los ordenadores de ADN.

De la computación cuántica se lleva hablando durante décadas por medios de comunicación, ingenieros y científicos. Se ha hablado del enorme poder de computación que tendrán, y de que serán capaces de realizar cálculos inabordables, aunque los años siguen pasando y hasta el momento el silicio es el material usado en la informática, electrónica y en microelectrónica.

Su poder reside en el modo en que se comporta la materia, a nivel subatómico. A esta escala las partículas y electrones, se rigen por leyes que no responden a la física normal. En la cuántica una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo, incluso en dos estados diferentes a la vez, ya sea como partícula o como onda.

La idea de la computación cuántica surge en 1981 cuando Paul Benioff que trabajaba en el Argone National Laboratory en Illinois (EEUU), expuso una teoría para el aprovechamiento de las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En lugar de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de cuanto. En la computación digital, un bit sólo puede tener dos valores, 0 o 1, sin embargo en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente, puede ser 0, 1, y puede ser un 0 y un 1 a la vez. Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de qubits.

Esta computación esta basada en el uso de qubits (bits cuánticos) en lugar de usar bits como se usa en la actual computación, y da la posibilidad de nuevas puertas lógicas haciendo posibles nuevos algoritmos. Gracias a este nuevo modelo de computación algunos problemas que hasta ahora eran intratables, pasarían a ser tratables.

El número de qubits, indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. Con los bits que conocemos, si tenemos un registro de tres bits, hay ocho valores posibles (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111), y el registro solo puede tomar uno de esos valores. En cambio, si tenemos un vector de tres qubits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica. Así un vector de tres qubits, permitirá un total de ocho operaciones paralelas. El número de operaciones, es exponencial con respecto al número de qubits. Para hacernos una idea del gran avance, un ordenador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (billones de operaciones en punto flotante por segundo), cuando actualmente los ordenadores trabajan en el orden de gigaflops (miles de millones de operaciones).

Actualmente aún no se han construido ordenadores cuánticos que utilicen más de dos o tres qubits, aunque existe un gran número de centros de investigación trabajando tanto a nivel teórico como a nivel práctico en la construcción de este tipo de computadores. Trabajando en esta tecnología se encuentran centros como, los laboratorios del centro de investigación de Almaden de IBM (http://www.almaden.ibm.com/st/disciplines/quantuminfo), AT&T, Hewlett Packard en Palo Alto (California), el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y universidades de todo el mundo como la de Oxford (http://www.qubit.org/) Standford, Berkeley, etcétera.

Existe cierta incertidumbre sobre la fecha en que este tipo de computación comenzará a comercializarse. Anton Zeilinger físico cuántico de la Universidad de Viena, ha llegado a afirmar que en 20 años, utilizaremos la computación cuántica en el día a día de un modo habitual. Otros investigadores como David Deutsch físico en la Universidad de Oxford, también es de la idea de que en tan solo unos años comenzaremos a ver los primeros modelos comerciales.

La compañía canadiense D-Wave Systems presento el 13 de febrero de 2007 en Silicon Valley, Orion lo que podria ser la primera computadora cuantica comercial de 16 qubits.

D-Wave presentaba a Orion como un acelerador por hardware diseñado para resolver un problema NP-completo llamado modelo bidimensional Ising de un campo magnético(pdf). Estaba construido sobre un sistema de computación cuántica adiabático(pdf) de 16 qbits. Los qbits estaban acoplados entre si a través de un transformador de flujo, con un total de 42 acopladores. Operaba a una temperatura de 5 mk, 0.005 kelvins por encima de cero absoluto.

Mas adelante la misma compañía admitía que la maquina presentada Orion, no era realmente un computador cuántico, si no que era una computador de propósito general que usaba algo de mecánica cuántica para resolver problemas.

Otro modo de computación es la molecular, que consiste en presentar la información a procesar con moléculas orgánicas y hacerlas reaccionar en un tubo de ensayo con el fin de resolver un problema.

Las primeras pruebas que se realizaron en laboratorio fueron en 1994, y llegó a resolverse un problema matemático medianamente complejo.

Esta técnica aprovecha el que las moleculas reaccionen simultaneamente dentro de un tubo de ensayo, tratando gran cantidad de datos al mismo tiempo. El tamaño de las moléculas, los sitúa a un tamaño que se podría equiparar al que se puede obtener con los ordenadores cuánticos. La cantidad que se puede almacenar es inmensa, en un centímetro cubico podría llegar a almacenarse la misma cantidad de información que en un billón de CDs.

De momento aún no es posible la construccíon de este tipo de ordenadores, aunque desde sus primeras pruebas, la computación molecular a pasado a ser uno de los proyectos más serios como alternativa al silicio.

Actualización: Científicos norteamaricanos  han anunciado que uno de los problemas con lo que se va a encontrar la computación cuántica, será el desarrollo de un gran software capaz de gestionar los errores que pueda plantear este sistema de computación,  ya que la superposición de los estados en los que se basa el qbit,  provoca que se produzcan más errores que en los sistemas binarios.

Según este grupo de científicos, cualquier interferencia o ruido en los campos eléctricos o magnéticos podrían confundir a los mecanismos cuánticos, provocando errores en los procesos, y este tipo de errores solo podría ser corregido mediante un potente software.

Este articulo se ha escrito extrayendo la información de varios conocidos medios de comunicación como son; Red Cientifica, Wikipedia, Microsiervos, Abadia Digital,