INTRODUCCIÓN
EL objetivo de este trabajo es hablar de manera introductoria sobre la importancia de la nanotecnología y su efecto en la vida diaria de todos nosotros, ya que nos encontramos en una constante interacción con las distintas aplicaciones tecnológicas que hacen uso de ésta.
Para ello se hará mención a la Ley de Moore, que es sin lugar a dudas una de las principales motivaciones de la industria microelectrónica y de semiconductores en la busqueda de mejores materiales y procesos de desarrollo de dispositivos electrónicos más compactos, más rápidos, más eficientes y sobretodo baratos.
Por otro lado se abordará el tema de la computación cuántica, un nuevo paradigma que pretende resolver las limitaciones de las leyes de la física clásica que rigen la estructura de las computadoras actualmente.
DESARROLLO
La Ley de Moore
¿Qué dice la Ley de Moore?
Expresa que aproximadamente cada dos años se duplica el número de transistores en un circuito integrado.
En 1965, Gordon Moore (co- fundador en 1968 de la compañia Intel) afirmó que el número de transistores por centímetro cuadrado en un circuito integrado se duplicaba cada año y que la tendencia continuaría durante las siguientes dos décadas.
Más tarde, en 1975, modificó su propia afirmación y predijo que el ritmo bajaría, y que la densidad de transistores se duplicariá aproximadamente cada 18 meses.
En las siguientes figuras se puede corroborar que la predicción del crecimiento exponencial en el número de transistores en los procesadores Intel se ha cumplido de acuerdo a la ley de Moore.
Todo parece indicar que la ley de Moore pasó de ser una profecía auto
cumplida por la industria microelectrónica a una obligación que los
fabricantes de semiconductores deben de cumplir para poder vender sus
productos a precios más competitivos. Así, si en 1954 el precio de un
transistor era de casi 6 dólares, actualmente su precio es menor a una
mil millonésima parte de un dólar, o sea, menor a un nanodólar.
Es importante mencionar que la capacidad de cada componente de un computador se ve afectada por la Ley de Moore.. Sin embargo, en términos de procesadores, no siempre el crecimiento de transistores no se traduce en un incremento directo de rendimiento. Particularmente, en los procesadores multi core, las aplicaciones seriales no se ejecutan sustancialmente más rápido. Hay muchos casos donde un incremento de un 45% en el número de transistores sólo se traduce entre 10 y 20% de rendimiento.
La supervivencia de la ley de Moore dependerá seguramente de los resultados de las investigaciones en el área de las nanociencias, que llevarán a la industria de la alta tecnología a otros caminos como la nanoelectrónica, la optoelectrónica e incluso, la bioelectrónica. Por lo tanto, todavía nos quedan muchas cosas por ver en el futuro cercano, y la única limitación tal vez sea un dimensión de nivel fundamental, como lo es el tamaño del átomo mismo
Computadoras Cuánticas
La máquina de Turing, y por lo tanto todas las computadoras de hoy, funcionan de acuerdo con las leyes de la llamada física clásica. Ésta prescribe que los bits tengan uno de dos valores bien definidos, es decir, que los transistores operen como puertas que se abren o se cierran, dejando pasar o interrumpiendo la corriente, sin ambigüedades. Pero la mecánica cuántica, teoría que describe el comportamiento de la materia en la escala de los átomos y las partículas subatómicas como el electrón, ha demostrado que nuestro mundo es más complicado.
Richard Feynman, uno de los físicos teóricos más brillantes del siglo pasado, reflexionó en 1982 acerca de las limitaciones de las computadoras clásicas. Le interesaba, en particular, el problema de hacer simulaciones del mundo real, que es cuántico a fin de cuentas, por medio de computadoras clásicas. ¿Se puede? Simular un fenómeno por medio de una computadora exige que le proporcionemos a ésta las ecuaciones matemáticas que describen el fenómeno. La descripción matemática de los fenómenos cuánticos es la ecuación de Schrödinger. Se trata de una ecuación diferencial que una computadora clásica puede manipular. En otras palabras, nada impide resolver ecuaciones de movimiento cuántico con una computadora clásica. Pero la dificultad, como indicó Feynman, es que sólo podríamos resolver problemas muy simples y de poco interés, en los que intervienen sólo unas cuantas partículas (en un sistema cuántico de interés hay miles de millones de partículas). Si el número de partículas aumenta, la capacidad de la máquina debe aumentar exponencialmente. Para simular procesos cuánticos no triviales la computadora clásica tendría que ser gigantesca, porque su capacidad aumenta en forma lineal. Además de plantear esta crítica de la física computacional clásica, Richard Feynman Propuso la utilización de sistemas cuánticos sencillos, llamados qubits (de quantum bits), como elementos estructurales básicos de una nueva computadora. Así nace el sueño de una computadora cuántica.
Bits cuánticos
La descripción cuántica tiene varias peculiaridades. Por ejemplo, cuando se lanza al aire una moneda la mecánica clásica nos permitiría saber de qué lado caerá si tuviéramos todos los datos acerca de la posición y la velocidad de la moneda al salir de nuestra mano. Si no tenemos los datos, decimos que hay una probabilidad de 50% de que caiga de un lado o del otro. En cambio, la probabilidad en mecánica cuántica es otra cosa. En los experimentos cuánticos no podemos predecir el resultado, sólo la probabilidad de que ocurra cierto resultado.
Pero la peculiaridad cuántica más importante para nuestros propósitos es el llamado principio de superposición. Si en el mundo clásico un objeto puede estar en uno de varios estados distintos (por ejemplo, en distintas posiciones, o con distintos valores de la energía), en mecánica cuántica puede estar, además, en combinaciones de todos los estados posibles. Esta superposición de estados perdura mientras el objeto permanezca aislado. En cuanto interactúa con su entorno (por ejemplo, cuando alguien trata de determinar con una medición en qué estado se encuentra), la superposición se destruye y el objeto cae en uno de sus estados. Por ejemplo, un electrón confinado en cierto volumen puede ocupar al mismo tiempo muchas posiciones. Pero cuando uno trata de localizarlo con una medición, el electrón se manifiesta en una sola posición. La destrucción de los estados de superposición al interactuar un sistema cuántico con su entorno se llama decoherencia.
Las computadoras cuánticas aprovechan el principio de superposición para sacarles más partido a los bits. Un bit cuántico, o qubit, tiene más posibilidades de almacenar información porque, además de los dos estados clásicos 1 y 0, puede encontrarse en una superposición de éstos. Dicho de otro modo, puede estar parcialmente en uno y otro al mismo tiempo. La gama de posibilidades varía continuamente del 0 al 1, con superposiciones que contienen más o menos de los dos estados clásicos. El qubit lleva una vida mucho más rica que el bit clásico. Esto finalmente define la importancia de los sistemas cuánticos para la informática y la computación. Es cómodo imaginar al qubit como un vector. La longitud de este vector es fija, pero puede apuntar en cualquier dirección, a diferencia del bit clásico, que sólo puede apuntar, digamos, hacia arriba y hacia abajo.
La computadora cuántica
En 1985 David Deutsch dio una base matemática sólida a la propuesta de Feynman. Deutsch explicó cómo podría funcionar una computadora cuántica universal y describió su funcionamiento como secuencias de operaciones elementales sobre qubits. La computadora cuántica de Deutsch es muy parecida a la máquina universal de Turing, pero con qubits en el lugar de bits clásicos. Sin embargo, la operación de una computadora cuántica es muy distinta de la operación de la máquina de Turing. Había que formular algoritmos computacionales cuánticos.
Los algoritmos cuánticos hacen uso de las peculiaridades de los qubits. Para iniciar un proceso de cómputo cuántico, podríamos, por ejemplo, poner para empezar todos los qubits que representan la información inicial en una superposición de 0 y 1. El estado inicial de esta computadora contendrá así todos los datos iniciales posibles. Ahora sólo falta hacer un cálculo adecuado (aplicar el algoritmo). Operando sobre los qubits en superposiciones de 1 y 0, el algoritmo cuántico resuelve, en cierta forma, todos los cálculos posibles al mismo tiempo. Uno puede imaginar (muy aproximadamente) una computadora cuántica como un conjunto muy grande de computadoras clásicas que funcionan en paralelo. Esta riqueza de la información se llama paralelismo cuántico, y disminuye drásticamente el número de pasos necesarios para resolver un problema en una computadora cuántica. Pensemos en la siguiente analogía. Supongamos que queremos comunicar información sobre una figura geométrica tridimensional muy complicada por medio de fotografías. La computadora clásica funcionaría entonces como una cámara que sólo maneja fotos en blanco y negro. En cambio una computadora cuántica podría transmitir todos los tonos de gris además del blanco y negro. Es claro que necesitaremos muchas menos fotos para representar el objeto debido a la riqueza de la descripción cuántica.
Obstáculos a vencer
El obstáculo principal para la construcción de una computadora cuántica es la fragilidad de los estados superpuestos de los qubits con el mundo exterior debe disminuirse al nivel más bajo posible para evitar la decoherencia de los estados superpuestos. Las influencias no controlables destruirían por completo la delicada superposición y el “enredamiento” de los qubits, propiedades que son la base de todos los algoritmos computacionales cuánticos. Aislar unos cuantos qubits de influencias incontrolables es relativamente fácil y ya se han hecho algunos experimentos. Pero cuanto más grande es un sistema cuántico (cuantos más elementos contiene, o en este caso, más qubits), más probable es que alguno de ellos interactúe con el exterior, y eso basta para producir la decoherencia de todo el sistema.
Claro que el problema de aparición de errores por influencias externas también existe en las computadoras clásicas. Por ejemplo, si guardamos un bit de información en el disco duro de una computadora clásica, con el tiempo este bit puede invertirse. Una manera de prevenir este error es guardar copias de cada bit. Después se compara periódicamente el valor de este bit con el de las copias, y si uno de ellos no coincide con los otros, se invierte.
Desgraciadamente este método no sirve en una computadora cuántica. Para determinar en qué estado se encuentra un qubit hay que interactuar con él, lo que destruye su estado y afecta el resultado del cálculo. Aunque ya existe un progreso importante en el desarrollo de métodos cuánticos no-destructivos de corrección de errores, todavía falta mucho para la construcción de una computadora cuántica suficientemente grande.
CONCLUSIONES
Actualmente el desarrollo de la tecnología nos permite enfrentar problemas que hace un par de décadas no era posible resolver, ya que contamos con computadoras más rápidas, más eficientes y que además pueden ser adquiridas por una mayor catidad de personas gracias a la disminución en los costos de producción.
Por otra parte quizá sea un poco necesario el entender el funcionamiento de los distintos dispositivos con los que interactuamos a diario, ya que nos encontramos en una época en la que inevitablemente nuestras vidas se ven afectadas por los avances en la tecnología y el contar un poco de conocimiento sobre el tema nos permite sacarle mejor provecho a nuestros dispositivos.
La Ley de Moore ha impulsado a lo largo de las ultimas dos décadas el perfeccionamiento de las computadoras (entre muchos otros sectores) y lo que en un principio era considerado como algo un tanto decabellado por la industria poco a poco llego a ser una realidad a tal grado que ahora mismo nos encontramos con el problema de las limitaciones fisicas de los componentes, cuya posible solución se encuentre haciendo uso del paradigma de la Computación Cuántica. Sin embargo, aun nos encontramos intentando alcanzar el cambio, debido a las interrogantes que existe entorno a la Física Cuántica y su aplicación en el mundo de las computadoras.
REFERENCIAS
Yuri Rubo, Julia Tagüeña. Computación cuántica. artículo en español en el sitio web: http://www.comoves.unam.mx/numeros/articulo/67/computacion-cuantica, consultado el 10 de Febrero de 2015.
Dr. Juan Carlos Cheang Wong. LEY DE MOORE, NANOTECNOLOGÍA Y NANOCIENCIAS: SÍNTESIS Y MODIFICACIÓN DE NANOPARTÍCULAS MEDIANTE LA IMPLANTACIÓN DE IONES. Revista Digital Universitaria (http://www.revista.unam.mx/vol.6/num7/art65/jul_art65.pdf) 10 de Julio 2005, consultado el 10 de Febrero de 2015.
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