DETENER LA LUZ

La luz puede ser difícil de manipular, aunque los humanos ya han aprendido a hacerlo: Podemos crear luz (encendiendo una lámpara) y destruirla (haciéndola iluminar el negro asfalto). Podemos medirla, doblarla, y hacerla viajar más lentamente. Podemos usarla para propulsar naves espaciales, para transmitir conversaciones telefónicas, para realizar una cirugía. Lo que podemos hacer con la luz parece no tener fin...
Hasta fechas recientes, existía algo que no podíamos hacer con la luz: detenerla. Detener la luz en su movimiento y luego soltarla de nuevo sin cambiarla, estaba más allá de las capacidades humanas.
Pero ahora, los científicos han podido averiguar cómo lograrlo.
El año pasado, un grupo de físicos de la Universidad de Harvard hicieron brillar un rayo láser dentro de una celda de vidrio llena previamente con vapores atómicos. La luz entró, pero no volvió a salir. No fue destruida ni absorbida, sólo almacenada, lista para resurgir intacta cuando los científicos lo desearan.
El pulso láser medía varios kilómetros antes de entrar a la celda, aunque el pulso cupo intacto dentro de la cámara de apenas unos centímetros de ancho. ¿Suena como magia? Tal vez... pero sólo era mecánica cuántica.
La mecánica cuántica describe las extrañas reglas de la luz y la materia a escalas atómicas. En aquél mundo, la materia puede estar en dos lugares al mismo tiempo. Los objetos pueden ser partículas y ondas a la vez. Y nada es seguro, solamente probable o improbable.
Esta improbable hazaña, detener la luz, fue lograda por dos equipos. Uno fue dirigido por Ron Walsworth, un físico del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), y otro por Lene Hau del Departamento de Física de la Universidad de Harvard (Harvard University's Department of Physics). El grupo de Walsworth usó vapores tibios de rubidio para detener el pulso láser; el grupo de Hau usó un gas de sodio superfrío para lograr el mismo efecto.
Los fotones (las partículas de luz) carecen de masa, y por eso pueden viajar tan rápido. Los investigadores de Harvard detuvieron sus rayos láser "colgándole pesos a los fotones".
La técnica requiere de dos láser: un "láser de control" y un "láser de señal". El láser de señal es el que se detiene. Usando el láser de control, el equipo de Walsworth hizo que el gas de rubidio en la celda de vidrio se volviese "dispersivo" en otras palabras, la velocidad de la luz pasando a través del gas, dependía manifiestamente del color de la luz. (Los prismas trabajan de modo muy similar, aunque la analogía no es exacta). En este tipo de gas dispersivo, los átomos y los fotones interactúan enérgicamente, dice Walsworth. "Al ser arrastrados de manera efectiva por las fuertes interacciones con los átomos, los fotones se vuelven lentos". Los físicos llaman a este tipo de sistemas átomo-fotón, un "polaritón" (polariton en inglés).
A continuación, los científicos redujeron la intensidad del láser de señal hasta que el polaritón fue 100% atómico. De repente, ya no aparecían fotones en la cámara. Sin embargo, la huella de los fotones permaneció en los propios átomos. Como un trompo para niños, los átomos giran ("spin" en inglés). Los físicos dicen que los átomos "poseen momento angular". La información que describe el láser que desaparece fue almacenada, como un código, en los patrones de arriba-y-abajo de los ejes de giro de los átomos.
Liberar el pulso almacenado es fácil: otro rayo láser dirigido a través de la cámara puede liberarlo. "En un futuro próximo, esta técnica podría permitir el registro reversible de información cuántica entre átomos y luz de manera eficiente", dice Walsworth.
Las posibilidades son increíbles: "supongamos que tenemos alguna información codificada en átomos", dice Walsworth. "Podríamos mapear tal información en forma de luz, enviarla a otro grupo de átomos, e imprimir la información ahí". Walsworth llama a esto "comunicación cuántica".
La comunicación cuántica podría algún día ser usada para enviar mensajes ultra secretos. Una de las características quintaesénciales del mundo cuántico es que cuando observamos un sistema, de hecho alteramos las propiedades de dicho sistema. En otras palabras, sería imposible "tocar" un mensaje cuántico sin dejar marcada una "huella digital".
"Por esta razón, no hay manera de interceptar mensajes, romper el código y reenviarlos sin que el destinatario se de cuenta de ello", dice Walsworth.
En un futuro próximo, estas técnicas podrían adelantar la llegada de una nueva y fantástica forma de computación llamada "computación cuántica". Las computadoras cuánticas del futuro podrían almacenar datos y hacer cálculos manipulando los estados cuánticos (como el giro) de los átomos individuales. Debido al enorme número de átomos que existe, aún en una cantidad ínfima de materia, las computadoras cuánticas podrían tener una potencia inimaginable.
Las computadoras hacen su trabajo usando números binarios, esto es, unos y ceros. Tales unidades llamadas "bitios", se hallan en constante movimiento dentro de la computadora personal sobre su escritorio. En una computadora cuántica, los bitios (llamados qubits) podrían ser transportados de un lugar a otro por fotones. La polarización horizontal, por ejemplo, podría representar "0" y la polarización vertical, "1". (Y no acaba aquí: los qubits pueden ser 0,1 o una superposición de los dos ¡es permitido por la física cuántica! Los qubits son herramientas naturales para la "lógica confusa"), (fuzzy logic en inglés).
Esta clase de computadora funcionaría solamente en caso de que hubiera una manera de detener la luz, cambiar su estado, y re-enviarla. El equipo de Walsworth ha demostrado que esta secuencia puede obtenerse: mientras un pulso de luz era impreso en los átomos de rubidio, ellos hicieron un cambio simple en los estados cuánticos de los átomos. Para deleite de los investigadores, el cambio estaba presente en el pulso regenerado de luz.
No necesariamente: un grupo dirigido por Phillip Hemmer de la Base Hanscom de la Fuerza Aérea (Hanscom Air Force Base) quien está ahora en la Universidad A&M de Texas (Texas A&M University), ha demostrado que la luz puede ser detenida también por sólidos. Ellos usaron un aislante mezclado con una tierra rara (se les llama tierras raras a un grupo de elementos de la tabla periódica) un tipo de material generalmente usado en la producción de procesadores y memorias ópticas de ultra-alta densidad.
"Es muy agradable pensar que funciona también en un estado sólido, lo cual nos acerca más a la electrónica que conocemos", dice Walsworth.

CARACTERISTICAS DE LAS COMPUTADORAS CUANTICAS

La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables.

Problemas de la computación cuántica
Uno de los obstáculos principales para la computación cuántica es el problema de la decoherencia, que causa la pérdida del caracter unitario (y, más específicamente, la reversibilidad) de los pasos del algoritmo cuántico. Los tiempos de decoherencia para los sistemas candidatos, en particular el tiempo de relajación transversal (en la terminología usada en la tecnología de resonancia magnética nuclear e imaginería por resonancia magnética) está típicamente entre nanosegundos y segundos, a temperaturas bajas. Las tasas de error son típicamente proporcionales a la razón entre tiempo de operación frente a tiempo de decoherencia, de forma que cualquier operación debe ser completada en un tiempo mucho más corto que el tiempo de decoherencia. Si la tasa de error es lo bastante baja, es posible usar eficazmente la corrección de errores cuánticos, con lo cual sí sería posible tiempos de cálculo más largos que el tiempo de decoherencia y, en principio, arbitrariamente largos. Se cita con frecuencia una tasa de error límite de 10-4, por debajo de la cual se supone que sería posible la aplicación eficaz de la corrección de errores cuánticos.
Otro de los problemas principales es la escalabilidad, especialmente teniendo en cuenta el considerable incremento en qubits necesarios para cualquier cálculo que implica la corrección de errores. Para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño capaz de manejar un número lo bastante alto de qubits para resolver problemas computacionalmente interesantes hoy en día.

COMPUTACION CUANTICA

La velocidad y la capacidad de almacenamiento de las computadoras se han venido duplicando aproximadamente cada dos años, esto, acompañado de una miniaturización del componente fundamental del hardware: el transistor. Actualmente es posible fabricar chips (circuitos integrados de computadora) de un cuarto de micrón (un micrón es la millonésima parte de un metro), conteniendo cerca de 200 millones de transistores.
Pero de seguir la tendencia en la reducción del tamaño de los componentes, tendremos que enfrentarnos muy probablemente a las leyes cuánticas, cuando el tamaño de éstos alcance niveles atómicos. En este nivel, el transistor quizás pase a ser una pieza de museo y sea sustituido por una molécula.
En 1982, aparecieron las primeras ideas de lo que hoy se conoce como Computación Cuántica, cuando Ri-chard P. Feynman (1918-1988) observó que ciertos efectos de la mecánica cuántica (leyes de la física a nivel de partículas elementales) no pueden ser simulados por una computadora digital, e insinuó que la computación en general puede ser eficientemente mejorada aprovechando esos efectos de la mecánica cuántica. Es hasta 1985, cuando David Deutsch describió un modelo de una computadora cuántica, de alguna manera similar a lo que en 1936 fue propuesto como el modelo de la máquina de Turing, que sirvió como preámbulo de las computadoras actuales.
La computación cuántica es un área multidisciplinaria con influencias que van desde la arquitectura de computadoras hasta la física fundamental, pasando por las comunicaciones, la criptografía, las matemáticas, la microelectrónica y la nanotecnología por citar algunas, y tiene básicamente efectos en la tecnología de las computadoras con el hardware y el software.
En términos de hardware, a medida que la información pase a ser representada por unas cuantas partículas subatómicas, los dispositivos deberán tener la capacidad de reconocer los fenómenos cuánticos.
En relación con los algoritmos (procedimientos matemáticos para resolver problemas), la computación cuántica abre posibilidades antes no imaginadas, disminuciones exponenciales en el tiempo de procesamiento y realización de operaciones en paralelo sin la necesidad de agregar procesadores a la máquina.
Las computadoras cuánticas usan "qubits" (formas de partículas cuánticas) como la unidad de información básica, y éstas eventualmente serán más flexibles y rápidas que las computadoras existentes al procesar la información.
¿Qué se puede hacer con el cómputo cuántico?
Evidentemente, si fuera posible encontrar algoritmos y hardware que exploten eficientemente la superposición del qubit, podrían obtenerse ahorros exponenciales en el tiempo de procesamiento. Un ejemplo de esto, es la factorización de números grandes (encontrar números que al multiplicarse arrojen el número del cual son factores), en donde las computadoras actuales ven incrementado su tiempo de procesamiento en forma exponencial según aumente el número de dígitos de la cantidad por factorizar.
De hecho, los algoritmos actuales para codificar y enviar en forma encriptada información a través de Internet, basan su seguridad en la imposibilidad de las computadoras actuales de encontrar en un tiempo razonable, los factores de un determinado número. El computador cuántico haría obsoletos dichos mecanismos de encriptación.
¿Qué otras aplicaciones se le pueden dar al cómputo cuántico?
Encriptación: si bien el computador cuántico haría obsoletos los mecanismos actuales, también provee una solución que podría ser prácticamente imposible de violar por los hackers.
Teleportación: se refiere a comunicar el estado físico de un objeto a otro objeto ubicado en otra parte.
¿Entonces el computador cuántico hará mejor las cosas que las computadoras actuales?
No necesariamente. Por ejemplo, las computadoras actuales son muy buenas para multiplicar grandes números; el computador cuántico no lo hará mucho mejor. Sin embargo, aquellas operaciones que requieran de operaciones repetitivas, pueden hacer uso del cómputo en paralelo.
La factorización de grandes números. Una computadora actual se estima que tardaría varios miles de millones de años para factorizar un número de 1000 dígitos, mientras que un computador cuántico lo haría en ¡20 minutos!
La búsqueda en bases de datos. Las búsquedas en bases de datos no ordenadas se realizan actualmente al azar (ningún algoritmo es más eficiente), y para localizar un dato en especial se requiere en promedio de N/2 intentos, donde N es el número total de datos. Un computador cuántico podría realizar lo anterior, en un número de intentos igual a la raíz cuadrada de N. Así por ejemplo, si N es igual a un millón, una computadora actual tendría que intentarlo 500 mil veces, mientras que el computador cuántico lo haría sólo mil veces.
¿Qué tan cerca estamos de contar con un computador así?
Se han hechos grandes progresos, sin embargo aún existen grandes dificultades técnicas y sobre todo complejas que superar.
Un portavoz de NEC (NEC Corp y un organismo de investigación pública de Japón), dijo que no es probable que las computadoras cuánticas para uso comercial, estén disponibles antes del 2020.
Los expertos esperan que las computadoras cuánticas, cuando sean puestas en uso práctico, sobrepasen las capacidades de las supercomputadoras más poderosas de la actualidad.

Para mayor información:
http://www.qubit.org/