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El transistor totalmente óptico podría ser un gran salto para la computación cuántica

Computación cuántica

Darío Borghino

9 de julio de 2013

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Un transistor óptico de nuevo desarrollo podría ser la clave para las CPU de mayor rendimiento y un paso adelante hacia una computadora cuántica práctica (Imagen: MIT)

Investigadores del MIT, Harvard y la Universidad de Tecnología de Viena han desarrollado un interruptor óptico de prueba de concepto que puede ser controlado por un solo fotón y es el equivalente de un transistor en un circuito electrónico. El avance podría mejorar el consumo de energía en las computadoras estándar y tener importantes repercusiones para el desarrollo de una computadora cuántica efectiva.

Los fabricantes de chips están presionando constantemente para reducir al mínimo el consumo de energía, pero aún tienen que enfrentar las limitaciones que vienen con el mundo de la electrónica. En particular, la potencia consumida por una CPU es aproximadamente proporcional a su frecuencia y al cuadrado de su voltaje, y una buena parte de la energía consumida se dispersa como calor.

Una solución prometedora podría ser construir circuitos que usen fotones en lugar de electrones para almacenar y elaborar datos. Esto mejoraría drásticamente el consumo de energía, porque un fotón es suficiente para almacenar un poco de información y activar un transistor. Una computadora completamente óptica también podría alcanzar tasas de transferencia de datos mucho más altas (piense en la fibra óptica).

Entonces, ¿por qué no hemos construido chips ópticos todavía? El problema es que, a diferencia de las partículas cargadas eléctricamente, los fotones no interactúan fácilmente entre sí: dos fotones que chocan en un vacío simplemente pasarán uno a otro, sin causar daños.

Cómo funciona

Aunque este no es de ninguna manera el primer transistor óptico jamás creado, el propuesto aquí es potencialmente mucho más poderoso porque puede ser controlado por un solo fotón.

Este transistor óptico consiste en átomos de cesio enfriados atrapados dentro de un resonador óptico (Imagen: MIT)

El núcleo del transistor óptico está hecho de dos espejos. Entre ellos se encuentra una cavidad sellada que contiene un gas de átomos de cesio sobreenfriados. Los espejos se colocan a una distancia que se calibra con precisión a la longitud de onda de la luz, de modo que actúan como un resonador óptico, capaz de hacer rebotar la luz entre ellos y al mismo tiempo preservar su fase.

La luz puede ser descrita como una partícula o una onda electromagnética. En su descripción de partículas, los fotones simplemente deben rebotar en el primer espejo y regresar a la fuente; sin embargo, de acuerdo con la descripción de la onda, la luz en realidad atraviesa el primer espejo y entra en el resonador, rebotando de un lado a otro y, finalmente, creando un gran campo electromagnético que cancela los efectos de los dos espejos, permitiendo que los fotones pasen a través.

Pero cuando un solo "fotón de puerta" se dispara en el resonador y golpea los átomos de cesio en un ángulo diferente al de todos los demás, esto cambia la física de la cavidad hasta tal punto que solo un 20 por ciento de la luz puede ahora atravesar el resonador

En la práctica, el dispositivo actúa como un interruptor de luz que está controlado por una señal de luz (el "fotón de la puerta") de la misma manera que, en un transistor estándar, una "tensión de la puerta" puede controlar la corriente. Fluyendo entre los dos extremos del dispositivo.

Construyendo una computadora cuántica óptica

Como ya se mencionó, la computación óptica podría brindarnos CPU más rápidas y con mayor consumo de energía en los próximos años; sin embargo, por más importantes que sean, las aplicaciones más interesantes no son las arquitecturas informáticas tradicionales, sino el campo de la computación cuántica.

La computación cuántica, aún en su infancia, aprovecha las peculiaridades de la mecánica cuántica para crear computadoras más potentes. Una de esas peculiaridades es la superposición, la capacidad contraintuitiva de un bit cuántico ( "qubit " para abreviar) para asumir más de un valor - "0 " y "1 " - al mismo tiempo.

Mantener la superposición es crucial, pero es muy desafiante porque la mayoría de los átomos tienden a interactuar unos con otros y destruyen su estado de superposición (los primeros diseños de computadora cuántica utilizaban iones atrapados en campos eléctricos, con resultados mixtos en el mejor de los casos). Pero los fotones no interactúan fácilmente entre sí, lo que significa que la superposición sería mucho más fácil de almacenar de forma segura en una computadora cuántica óptica.

Computación cuántica: ¿para qué sirve?

La posibilidad de cambiar una puerta óptica con un solo fotón abre la posibilidad de crear matrices de circuitos ópticos, todos los cuales están en un estado de superposición. "Si el fotón de la puerta está ahí, la luz se refleja; si el fotón de la puerta no está allí, la luz se transmite", explica Vladan Vuletić en el MIT, quien dirigió el trabajo. "Así que si tuvieras que poner un estado de superposición del fotón allí y no estar allí, terminarías con un estado de superposición macroscópica de la luz que se transmite y refleja."

Un pequeño número de qubits en estados de superposición puede transportar una enorme cantidad de información: mientras que un solo qubit llevaría solo dos estados posibles, el número crecería exponencialmente con el número de fotones: diez fotones transportarían 2 10, o 1, 024 bits de información ; treinta fotones llevarían mil millones de bits; y una matriz de mil bits transportaría 10 300 bits, más que átomos en el universo. Una serie de circuitos ópticos nos permitiría calcular estos datos a la vez.

Sin embargo, no se debe pensar en una computadora cuántica simplemente como una computadora clásica masivamente paralela que puede abrirse camino bruscamente en un problema arbitrariamente complejo. La capacidad de calcular todos los resultados posibles a la vez, lo que se conoce como paralelismo cuántico, presenta algunos inconvenientes.

De hecho, si bien el paralelismo cuántico significa que una computadora cuántica puede computar teóricamente, digamos, mil millones de resultados en solo 30 iteraciones, las leyes de la mecánica cuántica dictan que el acceso a uno de los resultados destruye automáticamente todos los demás estados, colapsándolos en el original. Además, no podemos elegir exactamente a qué resultado acceder: esto es dictado solo por casualidad.

Sin embargo, los científicos informáticos aún pueden explotar las peculiaridades de la mecánica cuántica para crear algoritmos más eficientes, como factorizar un gran número, encontrar un elemento en una lista grande o incluso romper el cifrado RSA mucho más rápido de lo que sería posible con una computadora estándar. Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones, se piensa que la ganancia de rendimiento, si existe, será limitada.

Sin embargo, donde la computación cuántica brillará es el modelado de sistemas cuánticos, con innumerables aplicaciones en física teórica, química, ciencia de materiales y nanotecnología, entre otros campos.

La investigación fue detallada en un artículo publicado en la revista Science .

Fuentes: MIT, Carnegie Mellon (YouTube)

Este transistor óptico consiste en átomos de cesio enfriados atrapados dentro de un resonador óptico (Imagen: MIT)

Un transistor óptico de nuevo desarrollo podría ser la clave para las CPU de mayor rendimiento y un paso adelante hacia una computadora cuántica práctica (Imagen: MIT)

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