Comunicaciones y computadoras ultrarrápidas para el futuro
La carrera por conseguir el primer ordenador cuántico podría haber entrado en una etapa clave. Según publica la revista Nature en su edición de hoy, dos de los principales obstáculos que hasta ahora limitaban su progreso podrán superarse satisfactoriamente gracias a la aportación del español José Ignacio Cirac, físico teórico en la universidad austriaca de Innsbruck. Cirac, junto con el también físico Peter Zoller, propone un nuevo modelo para el diseño de ordenadores cuánticos que permite incrementar sin límite el número de partículas sobre las que se sustenta su funcionamiento.
La miniaturización en aumento de los componentes electrónicos que forman los ordenadores actuales hicieron ya pensar hace unos años a los físicos lo que podría pasar si la escala de tamaños se redujera tanto que se empezaran a manifestar los fenómenos cuánticos, imperceptibles en la escala de la vida cotidiana, pero predominantes en la escala atómica. En un ordenador tradicional, los fenómenos cuánticos representan un obstáculo para su funcionamiento, pero esto cambia completamente si el enfoque se dirige a lograr la computación (el proceso de información) basándose en las propiedades de la mecánica cuántica.La principal característica de un ordenador cuántico sería su rapidez. En sólo unos minutos haría cálculos que hoy se tardarían años y años en realizar, como la factorización de números (su descomposición en números primos). Esta propiedad es una amenaza para las comunicaciones encriptadas, tan utilizadas en la actualidad, que se basan en la dificultad de factorizar números. Por otra parte, sin embargo, el interés por las comunicaciones basadas en fenómenos cuánticos es grande porque no habría posibilidad de interceptar las informaciones transmitidas sin que los que las reciben se enteraran.
Superposición
La gran diferencia entre procesar información en el mundo cuántico y en el clásico es que, en un ordenador clásico, todos los bits (unidades) de información son ceros o unos, sólo existen dos estados. Sin embargo, un bit cuántico (un qubit, en la jerga de los físicos), puede ser una mezcla de ambos. Los objetos cuánticos pueden existir en una superposición de estados, como el famoso gato de Schrödinger, que ni está vivo ni está muerto hasta que se interfiere con el sistema al observarlo.
Trasladado el concepto a una serie de interruptores cuánticos, que serían átomos en diferentes estados de excitación, resulta que existen muchas más configuraciones posibles de qubits que en una serie de interruptores clásicos. Si en una memoria clásica de tres bits se puede almacenar sólo una de las ocho combinaciones posibles de unos y ceros, en una memoria semejante cuántica se pueden almacenar las ocho, en una superposición de estados.
El problema es plasmar estas ideas en máquinas, en dispositivos físicos. A pesar de los recientes avances, todavía pueden quedar 20 años para que la computación cuántica empiece a ser una realidad. A medida que aumenta la cantidad de información que habría que manejar, los expertos creen ver obstáculos casi insalvables en el horizonte, pero los avances en los últimos años han sido mayores de lo que nadie se imaginaba.
Un físico español despeja el camino para el diseño de los primeros ordenadores cuánticos Los científicos luchan por superar los límites de velocidad de la informática convencional
Cirac, de 34 años, pasó por la Universidad de Harvard, en EEUU, antes de recalar en la de Innsbruck, en Austria, donde empezó a trabajar con Zoller y publicó en 1995 el primer artículo que le dio a conocer en el mundillo de la computación cuántica, todavía en mantillas. El nuevo trabajo de Cirac y Zoller parte de un principio básico de la mecánica cuántica, el llamado estado de entanglement, término que podría traducirse como entrelazamiento. Según el mismo, la modificación de un cuanto de energía, por ejemplo un fotón, se traduce de forma instantánea en la modificación de un segundo cuanto ubicado a una cierta distancia y sin que medie ningún tipo de conexión física entre ambos. Cirac, que define este tipo de estados como "algo mágico", logró trasladar en 1995 este concepto al mundo corriente. Este paso se consideró entonces básico para iniciar la construcción de los primeros prototipos de ordenadores cuánticos. "Durante mucho tiempo", explicó Cirac a EL PAÍS recientemente en el Museo de la Ciencia de Barcelona, "se persiguió el estado entangled en partículas físicas". De conseguirlo, añadía, podría aplicarse este principio a la computación cuántica.
Cambio automático
Cirac y Zoller lo hicieron con iones (átomos cargados). "Vimos que si tocábamos un ion con un láser, un segundo ion cambiaba automáticamente de estado". Esta propiedad encontró aplicación directa en el mundo de la computación. La clave de la misma era tratar de sustituir los mecanismos que transforman y transmiten una información en forma de ceros y unos en los ordenadores convencionales, por otros basados en estos cambios instantáneos de estado.
Lo que al menos teóricamente se iba a ganar era sobre todo velocidad de cálculo. ¿Cómo? Eliminando los tiempos necesarios para transformar un paquete de información en ceros y unos y, particularmente, su circulación por los circuitos electrónicos. Para un cálculo simple la ganancia sería mínima, pero para uno complejo, como por ejemplo el diseño de un ala de avión, sería enorme: de días de cálculo con el ordenador más potente se podría pasar a un resultado casi instantáneo.
Los primeros prototipos, sin embargo, han topado con enormes restricciones. Por ahora, señala Cirac, se trabaja con tan sólo dos o tres partículas entrelazadas. "Y a medida que aumentamos el número", puntualiza, "aumenta la complejidad del sistema". El investigador propone un modelo que permite ampliar sin límite aparente el número de partículas entrelazadas aplicadas directamente al sistema. Es lo que denomina principio de escalabilidad y que se basa en capturar los iones en celdillas independientes. Algo así como trampas iónicas.
Esta disposición elimina otra importante restricción, en este caso de carácter tecnológico. "Para conseguir el estado de entrelazamiento", cuenta Cirac, "era preciso enfriar, detener los iones". Este proceso se logra mediante la acción de un láser que enfoca a las partículas, pero nunca con un 100% de perfección. Ello implica la acumulación de errores que llevan al fracaso del sistema. El modelo de Cirac no requiere que los iones se estén quietos.
El problema, a partir de ahora, según Cirac, va a ser más tecnológico que conceptual. "Las claves que definen al ordenador cuántico", opina, "empiezan a estar consolidadas, sabemos qué hay que hacer". Pero todavía no se sabe cómo. El primer paso, indica, debería ser aumentar el número de partículas entrelazadas para dotar al ordenador cuántico de la potencia o la capacidad de cálculo suficientes. Según estimaciones, ello se conseguiría con un mínimo de mil partículas, aunque se especula que serían precisas unas 100.000 para una máquina capaz.
Activar las partículas
Además de cómo ubicar estas partículas, habría que resolver también cómo activarlas, es decir, cómo modificar su estado, para que la modificación se transfiriera a las partículas homólogas, y esto no llevara a la acumulación de errores. Todas estas cuestiones, según este físico, llevarán al menos un par de décadas. "No creo que en los próximos 20 años exista ninguna computadora cuántica capaz de competir con los ordenadores actuales", dice el investigador español. Pero sí lo habrá, sentencia, en los próximos decenios. Otros investigadores de prestigio señalan, sin embargo, que las aplicaciones de los ordenadores cuánticos, si es que alguna vez llegan, serían para usos muy específicos, por ejemplo en criptografía.
Pero la investigación avanza y nadie niega que es muy interesante en sí misma. Hace sólo tres semanas, y también en Nature, científicos de EEUU anunciaron que habían logrado en un experimento el entanglement de cuatro partículas. Este experimento, realizado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (Colorado) "se deriva de la puesta en práctica de la primera idea de Ignacio Cirac", explicaba ayer a EL PAÍS Luis Orozco, profesor de física 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 más influyente en el desarrollo de ordenadores cuánticos, porque realmente se ha podido desarrollar en laboratorios", continúa Orozco. La construcción de ordenadores cuánticos está todavía lejos, "pero el paso de hacer uno más grande sería importante", comenta Orozco. Sobre la nueva idea de Cirac, dice: "Ahora se trata de intentar llevar la idea de Ignacio a la práctica en los experimentos".
Hacia el teletransporte
En el mundo de la mecánica cuántica, los conceptos pueden parecer irreales e ininteligibles para la inmensa mayoría 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 teorías de la mecánica clásica o de la física general. Cirac, un joven físico teórico español de 34 años que en los últimos años se ha convertido en uno de los autores más citados de la literatura científica en el campo de la computación cuántica, lo describe sin ambages: "Todo cuanto sucede (en la mecánica cuántica) escapa a la percepción humana". ¿Y qué es lo que sucede? Pues cosas como que un cuanto puede atravesar literalmente una pared, un medio físico, sin que su estructura se vea alterada, inducir un cambio de estado a un segundo cuanto sin conexión entre ambos o, más complejo todavía, nadie puede predecir sus propiedades hasta que las ve. "Sólo sabemos lo que vemos, pero nunca podemos saber sin ver", matiza Cirac. Sería como decir que la Luna está ahí sólo cuando la vemos.
Pero estos principios de la mecánica cuántica se están empezando a aplicar al mundo real. En el caso de la computación, casi por obligación: la progresiva miniaturización electrónica en los ordenadores convencionales alcanzará su techo probablemente hacia 2010, según estimaciones de los expertos. Un límite demasiado cercano para no pensar en una alternativa.
Una segunda aplicación, mucho más desarrollada, se basa en el teletransporte definido a partir de la capacidad de entrelazar dos partículas a distancia. Experimentos realizados en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck (Austria), donde trabaja Cirac, han demostrado que este sistema es seguro para la transmisión de mensajes secretos a 10 y 40 kilómetros de distancia.
Se trata de hacer interaccionar un paquete de información (partículas que definen ceros y unos) con una partícula en estado de entrelazamiento. Se toca esa partícula, por ejemplo con un láser y, automáticamente el resultado de esa interacción se da en un punto lejano. Podría 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 interacción. Este tipo de sistemas, que suponen la base de la comunicación cuántica, están siendo probados con éxito en Estados Unidos y Europa.
