La danza de los átomos

La única pista de que algo extraordinario está ocurriendo en el interior del edificio de estuco marrón del Laboratorio Nacional de Los Álamos (Nuevo México, EE UU) es el cartelito de metal que cuelga en su parte delantera: '¡Peligro! Campo magnético en uso. Manténgase en la acera'. Al menor acercamiento, se corre el riesgo de que se le borren las bandas magnéticas de las tarjetas de crédito. El potente campo emana de los imanes superconductores y superenfriados del interior de una máquina con aspecto de tanque, que se llama espectrómetro de resonancia magnética nuclear (RMN).

El aparato en sí no tiene nada de especial. Las máquinas de resonancia magnética nuclear se utilizan en los laboratorios químicos de todo el mundo para representar la arquitectura de las moléculas mediante la percepción de la forma en que bailan los átomos al ritmo de las ondas electromagnéticas. Clínicas y hospitales utilizan la misma tecnología para escanear los tejidos del cuerpo humano.

La máquina de Los Álamos ha sido reclutada para otro fin: llevar a cabo un experimento de informática cuántica. Empleando ondas de radio para manipular los átomos como si fueran cuentas del ábaco cuántico, los científicos de Los Álamos engatusarán a una molécula denominada ácido crotónico para que ejecute un sencillo programa informático.

El año pasado establecieron un récord al llevar a cabo un cálculo con siete átomos. Este año apuntan a 10, aunque la cifra no suene a gran cosa.

Cada uno de los átomos se puede entender como un pequeño interruptor, como un registro que contiene un '1' o un '0', y el más reciente microprocesador Pentium contiene 42 millones de estos dispositivos. Pero las paradójicas leyes de la mecánica cuántica tienen una poderosa ventaja: un único átomo puede hacer dos cálculos a la vez. Dos átomos pueden hacer cuatro (2 elevado a 2), y tres pueden hacer ocho (2 elevado a 3) cálculos, como se explica más adelante. Al llegar a 10, multiplicando por dos una y otra vez por el camino, se tiene un minúsculo ordenador que puede ejecutar 1.024 (210) cálculos a la vez.

Si los científicos son capaces de encontrar la forma de aprovechar este logro y abarcar 20 átomos, podrán ejecutar un millón de cálculos simultáneos, que con 40 átomos se convertirían en 10 billones.

El objetivo final, que todavía no es más que una esperanza lejana, consiste en aprovechar miles de átomos para que la máquina sea tan potente que pueda descifrar fácilmente códigos que ahora se consideran irresolubles, y además solucionar otros problemas que son imposibles incluso para el superordenador más rápido.

Algunos teóricos observan con interés el programa que Raymon Laflamme, uno de los directores del proyecto, y su colega Emmanuel Knill están ejecutando, que en realidad es un procedimiento para detectar y corregir los errores que inevitablemente se generan durante los delicadísimos cálculos cuánticos, un paso crucial para las tecnologías cuánticas del futuro.

Recientemente, los investigadores han utilizado la tecnología RMN para hacer que las moléculas ejecuten programas rudimentarios, como una búsqueda en una base de datos utilizando menos pasos de los que un ordenador corriente necesita. (Como muestra de lo primitiva que sigue siendo la tecnología, la base de datos no era más que una lista de ocho números). El algoritmo de corrección de errores de Knill y Laflamme aún es bastante simple, pero es uno de los ejemplos más complejos de programa informático cuántico que se haya ejecutado hasta la fecha.

En principio, el cálculo no es más que una cuestión de entremezclar bits, los unos y los ceros de la aritmética binaria. Así, supongamos que un átomo que apunte hacia arriba significa 1, y que un átomo que apunte hacia abajo significa 0. Si se da la vuelta a estos bits cambiando los átomos con rayos láser u ondas de radio, el resultado es un ordenador minúsculo.

Pero eso no sería más que el comienzo. La mecánica cuántica, las normas que gobiernan las partículas subatómicas, dicta que estos bits cuánticos, denominados qubits, también pueden estar en superposición, indicando a la vez 1 y 0. Dos átomos pueden estar simultáneamente en cuatro estados: 00, 01, 10 y 11. Tres átomos pueden decir ocho cosas a la vez: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111. Por cada átomo que se añada a la cadena, el número de posibilidades se incrementa exponencialmente por dos.

Todo esto sólo interesaba a los eruditos hasta 1994, cuando Peter Shor, un investigador de los Laboratorios AT&T en Nueva Jersey, demostró que un ordenador cuántico es capaz de encontrar los factores de números largos, que es un problema que desconcierta a los cerebros humanos y a los superordenadores. Como los códigos que se utilizan para proteger los secretos militares y financieros dependen de que esta tarea sea prácticamente imposible, empezó a llover dinero gubernamental en lugares como Los Álamos, con lo que teóricos como Laflamme y Knill pudieron empezar a convertir en realidad los experimentos pensados.

Los laboratorios han estado utilizando tecnologías exóticas en los últimos años para aislar pequeños números de átomos y empujarles a que ejecuten cálculos sencillos. El grupo de Laflamme y Knill es uno de los que han estado probando un método diferente: utilizar la resonancia magnética ya disponible, en la que las moléculas -cadenas de átomos- quedan aprisionadas en intensos campos magnéticos y se manipulan con ondas de radio.

Este planteamiento es posible porque los núcleos de algunos átomos están dotados de una cualidad denominada spin. Actúan como pequeñas peonzas que rotan en presencia de un campo magnético. Si el núcleo 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 núcleos con impulsos de ondas de radio de alta frecuencia cambian entre las dos posiciones, arriba y abajo. Y como las moléculas emiten débiles señales electromagnéticas, se puede controlar el progreso del experimento en una pantalla de ordenador.

Esta técnica es una herramienta demostrada para los químicos, que la utilizan para generar gráficos, denominados espectros, que aportan información sobre la estructura de los compuestos químicos. Hace varios años, algunos científicos se dieron cuenta de que podía utilizarse para un fin muy distinto. Llamemos a arriba '1' y a abajo '0', y tendremos un minúsculo interruptor molecular. En palabras de Laflamme, 'la gente lleva mucho tiempo haciendo informática cuántica, pero no lo sabía'.

Durante el reciente experimento, tanto Laflamme como Knill se sentaron frente a una estación de trabajo que había sido modificada y programada para controlar la máquina de resonancia magnética. Su objetivo era conseguir que una cadena de cinco núcleos ejecutara el algoritmo de corrección 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 envían por triplicado, de forma que 101 se convierte en 111000111. Programas pequeños y sencillos están alerta en busca de los tríos corruptos como 010 o 110, y restauran los bits equivocados para que se ajusten a los otros dos. Para la informática cuántica, la corrección de errores es más complicada. Se protege un qubit mediante el uso de un complejo programa que despliega su valor por un grupo de cinco qubits que están enmarañados (entangled) cuánticamente. 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 estarán representados por los núcleos de cinco átomos en una molécula de ácido crotónico. De forma esquemática se puede imaginar como una cadena de cinco cuentas, aunque la disposición es algo más complicada. Cuatro de las cuentas son núcleos de carbono 13 y la otra es un grupo de tres núcleos de hidrógeno, parte de una estructura denominada grupo metilo, que se trata como un único elemento.

A medida que transcurre el cálculo, el ordenador controlará y mostrará las minúsculas señales emitidas por las moléculas como una línea en zigzag horizontal, en la que los picos indican los qubits. La introducción de un error permite comprobar que el sistema funciona.