El mundo caótico de la Computacion Cuántica

 

Las partes mas extrañas de la física son ahora la vanguardia de la tecnología de la computación

 

 

deas extrañas pueden venir de lugares ordinarios. Una vino de Texas. En 1981, John A. Wheeler, el padre de los agujeros negros y físico teórico de la Universidad de Texas en Austin, organizo una fiesta. Todos los invitados eran jóvenes físicos con un común interés en los fundamentos de la computación, un tópico que Wheeler creía - correctamente - empezaría a aumentar en importancia en los años venideros.

 

Fue en esta fiesta que una conversación con Charles Bennett, un físico de la IBM, produjo una idea en la mente del investigador de la Universidad de Oxford David Deutsch. Le llamo su atención que la teoría de la computación estuviera basada en las leyes de Newton, no en la más fundamental descripción del universo proporcionada por la teoría cuántica.

 

Con el tiempo, la industria de las computadoras fue empezando a preocuparse sobre el futuro de los microchips. ¿Cuantos cálculos por segundo seria finalmente posible, cuanto calor esto produciría, y podría el silicon sobrevivir al constante calor?. Para ayudarlos, los científicos en computadoras viraron hacia la teoría desarrollada en los años 30 por el pionero en este campo, Alan Turing. Pero en la fiesta de Wheeler, dijo Deutsch, "Yo podría ver inmediatamente que usando las leyes de la mecánica cuántica daría una respuesta diferente."

 

Deustch empezó el trabajo en un documento que esta ahora generalmente considerado como un clásico en el campo. Publicado en 1985, describe como una computadora podría correr usando las extrañas reglas de la mecánica cuántica y porque tal computadora se distingue fundamentalmente de las computadoras ordinarias.

 

15 años después, la revolución que Deustch empezó ha alcanzado proporciones globales. Las computadoras cuánticas no son más vistas como extrañas curiosidades pero si como el poderoso futuro de la industria de las computadoras, y el debate esta moviéndose desde sí ellas alguna vez serán una realidad  hacia cuando ellas  la serán. La excitación no es debido a su poder, aunque indudablemente serán más poderosas que los modelos actuales. Su gran ventaja, es que pueden resolver problemas y llevar a cabo simulaciones que son básicamente imposibles en las computadoras convencionales.

 

Tal es el potencial de estos dispositivos que la lista de compañías financiando programas de investigación suena como a una pasada a la lista de las más grandes compañías del mundo en telecomunicaciones y negocios de computadoras. Ellos abarcan desde IBM, Hewlett-Packard, Lucent Technologies, AT&T, y Microsoft. Allí esta hasta una start-up establecida en Nueva York  llamada MagiQ Technologies  que espera hacer dinero por desarrollar propiedades intelectuales en este campo.

 

Uno de las más recias fuerzas obstaculizando el desarrollo de las computadoras cuánticas es el temor a que ellas romperían con facilidad códigos secretos que son impenetrables para otras computadoras. Las campanas de alarma empezaron a sonar en 1994, cuando Peter Shor de los Laboratorios Bell de AT&T en New Jersey mostro que las computadoras cuánticas eran más rápidas que sus ordinarios hermanos en la factorización de números.

 

Encontrar los factores de grandes números es tan difícil para las computadoras convencionales que los programadores usan estas debilidades para proteger datos sensibles. Con el desarrollo de las computadoras cuánticas, estos códigos serán obsoletos. Tan pronto como la primera computadora cuántica de tamaño modesto sea encendida, los gobiernos y sus militares serán forzados a admitir que muchos de sus códigos son inseguros. Comprensiblemente, ellos están ansiosos de descubrir que computadora cuántica pueden hacer, y varios laboratorios nacionales han empezado programas substanciales, en particular el Instituto Nacional EUA de Estándares y Tecnología en Boulder, Colo. ; El Instituto Nacional Los Alamos en New Jersey; y el equivalente en el Reino Unido, La Agencia de Evaluación e Investigación de la Defensa en Malvern.

 

Aparte de su promesa para el espionaje esta la nueva física revelada casi diariamente  por los científicos que intentan comprender la información de los Quantum y como controlarla. Las computadoras cuánticas están llegando a ser pequeños laboratorios en los cuales los científicos pueden probar la teoría de la mecánica cuántica  con más precisión que antes. Él mas fuerte equipo en el mundo haciendo tales descubrimientos esta en la Universidad de Oxford. Grupos más pequeños existen en lugares como el MIT, Caltech, y un grupo de las Universidades Australianas, con personas influyentes dispersas en todo los Estados Unidos, Europa, e Israel. Después de un tardío comienzo, Japón ha empezado a concentrar esfuerzos para recuperarse.

 

 

La Información de los Quantum

 

La información digital parece materia mundana. Los 0s y 1s de un  código binario pueden ser fácilmente medidos, copiados, y modificados. Pero se asigna una pieza de información a una partícula cuántica, y asume las características extrañas del mundo cuántico. Esta unidad fundamental de la información cuántica es llamada un bit cuántico, o qubit (pronunciadose cue bit), y es un poco diferente de su clásica contraparte.

 

Para empezar, un qubit puede ser ambos un 0 y un 1 al mismo tiempo. Tomar el spin de un electrón - una propiedad que puede ser imaginada como el giro de un trompo con su eje apuntando o arriba o abajo (ver figura abajo). El giro arriba o abajo puede corresponder a un 0 ó 1. Pero el electrón puede también estar situado en una existencia dual como un espectro, conocido como una superposición de estados, en los cuales están en ambos arriba o abajo, un 0 y un 1, al mismo tiempo. Lleva a cabo un calculo usando un electrón, y ejecútalo simultáneamente en ambos el 0 y el 1, dos cálculos por el precio de uno.

 

A primera vista, esto puede no parecer impresionante, pero agrega 2 qubits más y los números se hacen mucho más persuasivos. Mientras 1 qubit puede estar en una superposición de dos estados, 0 y 1, dos qubits pueden estar en una superposición de cuatro estados - 00, 01, 10, 11 - representando 4 números a la vez. El incremento es exponencial: con m qubits, es posible llevar a cabo un calculo simple de 2^m números en paralelo. Con solo unos pocos cientos de qubits, es posible representar simultáneamente mas números que los átomos que hay en el
universo.

Algoritmos, entramado, y corrección de error

 

Por supuesto, una vez que el calculo ha finalizado, la respuesta debe de ser obtenida. Una simple medida destruye la superposición, dejando el sistema en un estado u otro. Desdichadamente raramente es posible deteminar por adelantado en cual de estos estados será, lo que es un problema. El objetivo es asegurar que la medida produce la respuesta de interés, y puede ser alcanzada explotando el fenómeno de la interferencia cuántica.  Cada uno de los estados superpuestos tiene una probabilidad asociada con el que tiene una conducta como de una onda - puede interferir con las probabilidades de otros estados destructivamente o constructivamente. Obtener la respuesta deseada para un calculo significa procesar la información en tal manera que la solución indeseada interfiera destructivamente, dejando solo el estado deseado, o unos pocos mas o menos estados deseados, al final. El proceso es conocido como un algoritmo cuántico, y en su diseño intervinieron físicos, matemáticos y científicos de computadoras. Una medida final entonces da la respuesta deseada, o en el caso de unos pocos estados finales, una serie de medidas da su distribución de probabilidad desde la cual la respuesta deseada puede ser calculada.

 

Los algoritmos cuánticos tienen el potencial para ser dramáticamente más rápidos  que sus contrapartes convencionales. Un buen ejemplo es un algoritmo para búsqueda a través de listas que fue desarrollado por Lov Grover en los Laboratorios Bell de Lucent Technologies, en Murray Hill, N.J. El problema es encontrar un nombre de persona en un directorio telefónico, proporcionando su numero telefónico. Si el directorio contiene N entradas, entonces en promedio, tu tendrías que buscar a través de N/2 entradas antes de encontrarlo. El algoritmo cuántico de Grover lo hace mucho mejor. Encuentra el nombre después de buscar a través de solo ÖN entradas, en promedio. Por lo tanto para un directorio de 10000 nombre, la tarea requerirá Ö10000 = 100 pasos en vez de 5000. El algoritmo trabaja primero creando una superposición de todas las 10000 entradas en las cuales cada entrada tiene la misma probabilidad de aparecer en respuesta a una medición hecha por el sistema. Luego, para incrementar la probabilidad de que una medición produzca la entrada requerida, la superposición es sometida a una serie de operaciones cuánticas que reconocen la entrada requerida e incrementan su oportunidad de aparecer. (Recuerda que el reconocimiento es posible porque tienes el numero telefónico pero no el nombre.)

 

Como si los valores superpuestos y las ondas de probabilidad no fueran suficientemente contraintuitiva, otro extraño fenómeno es prominente en la nueva ciencia de la información cuántica. En los 30's los científicos debatieron ferozmente si la mecánica cuántica predijo una real existencia  o si su extrañeza fue debido a alguna deficiencia en la teoría. En particular Albert Einstein no podía creer que el universo fue construido por la aclamada mecánica cuántica. Por lo tanto junto con sus colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen, ideo un experimento para encontrar "huecos" en la nueva teoría.

 

La idea del experimento se centra en la conducta de los pares de partículas que, de acuerdo a la teoría cuántica, son unidos - entramados - en una manera profunda que no tiene análogo en el mundo clásico. Estimula uno, y parece que el otro instantáneamente siente la influencia, no importa cuan lejos podría estar (ver figura abajo). Los 3 científicos, señalaron que este proceso tendría que implicar una señal más rápida que la luz pasando entre las partículas - una imposibilidad. Su conclusión llego a ser conocida como la paradoja EPR (Einsten-Podolsky-Rosen) y las partículas unidas como pares EPR.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

El debate fue resuelto por John Bell, un físico teórico en el CERN, El Laboratorio Europeo para la Física de Partículas cerca de Ginebra, y el físico francés Alain Aspect. Ellos probaron que los gemelos siameses del mundo cuántico, pares EPR, en verdad procedían en la manera predecida por la mecánica cuántica.  Sin embargo, el experimento también mostró que no hay la señal más rápida que la luz y el enredo no puede ser usado para la comunicación superluminica. Mas bien que comunicar, los pares EPR comparten la misma existencia, el mismo destino, si quieres.  El enredo no es ahora uno de las llaves de los fenómenos explotados en el proceso de la información cuántica. Hoy el experimento EPR es llevado a cabo en casi todo el mundo.

 

El entramado y la superposición han empezado un evento común comparado con 10 años atrás, la información cuántica permanece como una materia frágil. Las interacciones ordinarias con el ambiente destruyen los qubits y la información que ellos contienen, un proceso conocido como descoherence (descoherencia). (Su opuesto, coherence [coherencia] es la habilidad de un qubit para mantener características cuánticas tales como la superposición.) Si la información cuántica es adoptada dentro del mundo de la ciencia de la computación, un proceso de corrección de errores es necesario para protegerse contra la decoherence.

 

Inicialmente, los físicos creyeron que como una técnica era imposible, porque detectar y corregir los errores significaría medir estados de un sistema cuántico y por lo tanto destruir la información que contiene. Sin embargo, a principios de los 90's Deutsch había demostrado que esta necesidad no era el caso. Y en 1994 Andrew Steane de la Universidad de Oxford y Peter Shor de las Laboratorios Bell de AT&T en New Jersey  descubrieron independientemente el practico algoritmo de corrección de errores cuántico.

 

El problema es similar a reproducir en un lugar un mensaje que ha sido construido en otro. Si el mensaje es enviado sobre un canal o almacenado en un lugar lo suficientemente ruidoso para distorsionar algunos de los bits en la secuencia, ¿cómo puede el receptor reconocer el mensaje? Adicionando redundancia al mensaje por lo tanto el emisor puede corregir los bits que han sido distorsionados.

 

Shor y Steane plantearon la equivalencia cuántica de enviar el mismo bit tres veces. Los qubits extra son conocidos como ancillas. Medir estos qubit le dicen al receptor que los errores han ocurrido y como corregir los qubits que son parte del mensaje.

 

 

NMR conduce el ataque

 

El primer gran adelanto para los científicos construyendo las actuales computadoras cuánticas llego en la primera mitad de los '90s, cuando descubrieron como realizar cálculos usando la técnica de la resonancia magnética nuclear (NMR - Nuclear Magnetic Resonance). La idea clave fue que una sola molécula puede actuar como una diminuta computadora. La información es almacenada en la orientación de los spin nucleares en la molécula, cada núcleo retiene un qubit. Y la interacción entre los spin nucleares, conocida como "spin - spin coupling", sirve para arbitrar las operaciones lógicas. En un campo magnético fuerte, estos núcleos precess alrededor de la dirección del campo magnético en las frecuencias de las que dependieron en su medio ambiente químico.

 

Por un instante, en un campo tesla de 9.3, un núcleo de carbono 13 en una molécula de cloroformo procesa cerca de 100 mhz. Atacando la molécula con las ondas de radio afinada para esa frecuencia de resonancia, es posible manipular cada núcleo individualmente para realizar operaciones lógicas. La manipulación podría implicar proyectar un núcleo desde un 1 hacia un 0, una por lo tanto llamada operación uno-qubit o rotación individual-bit, o podría implicar dos núcleos en una operación dos-qubit, en la cual el valor de un núcleo es proyectado de algún modo que depende en el valor del otro.

 

El cloroformo hecho con el isótopo carbono 13 es un buen ejemplo de una molécula que puede actuar como una computadora cuántica dos-qubit, porque su hidrogeno y  el núcleo del carbono 13 pueden estar dirigidos individualmente por las ondas de radio. Un calculo cuántico es luego realizado codificando un programa - una secuencia de operaciones de uno- y dos-qubit - como una serie de pulsos RF. Los resultados son luego reportados prestando atención a la señal de inducción magnética generada por el núcleo procesado al final del calculo. Esa señal indica la orientación del giro nuclear.

 

La resonancia magnética nuclear suena como la solución soñada para un problema espinoso. Los núcleos están naturalmente aislados del ruido del mundo exterior y por lo tanto pueden mantener la coherence por muchos segundos, suficiente tiempo para ejecutar cientos de operaciones lógicas. Además, NMR es una tecnología madura, habiendo sido usada durante muchos años para análisis de imágenes y químicos.

 

 

 

 

 

 

 

Pero la técnica tiene algunas limitaciones severas. La molécula sola no produce una señal lo suficientemente fuerte para ser observada. Por lo que, los experimentos NMR deben implicar gran numero de moléculas (en el orden de 10²³) de modo que su señal de inducción magnética combinada es lo suficientemente larga para ser recogida.  (Estas moléculas son usualmente distribuidas en un solvente, por lo que las primeras computadoras cuánticas actualmente tienen corazones líquidos.)

 

 

Para empezar un calculo, el estado inicial de la computadora debe ser conocido. Pero en un material a temperatura adecuada, los estados de spin     arriba y spin abajo son distribuidos casi igualmente y al azar. En otras palabras, el estado de cada una de las muchas computadoras en la solución no puede ser conocida, lo que hace cualquier calculo posterior sin sentido.

 

Pero no todo esta dicho. En 1997, 2 grupos independientemente llegaron al rescate de la computación cuántica. Isaac Chuang, ahora del laboratorio Almaden de IBM cerca de San Jose, Calif. , y Neil Gershenfeld del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en Cambridge, encontraron que ellos podían girar una tendencia natural pequeña - digo para girar arriba mas bien que abajo respecto del campo magnético - en el núcleo de algunas moléculas en promedio. Ellos podían usarlo para establecer un tipo de estado base artificial (00 para un sistema dos-qubit) desde el cual empezar un calculo. Al mismo  tiempo, Day cory, también del MIT y Amr Fahmy y Timothy Havel ambos de la Universidad de Harvard, en Cambridge, Mass., descubrieron que bombardeando la muestra con pulsos de radio podían efectivamente "Jam" la señal de todo excepto el estado base.

 

Para realizar cálculos útiles, la computadora debe permitir ejecutar cualquier operación lógica en la computadoras cuánticas, hay 2 operaciones lógicas desde la cuales otras operaciones pueden ser derivadas, algo parecidos a las entradas AND y NOT en la computación clásica. Uno implica rotar un solo qubit. El otro, se llevo a cabo en dos qubits y se llamo una entrada NOT controlada, lanzar o dejar de lanzar un qubit dependiendo en el estado de otro al que es acoplado. [Ver fig.45]. Ambos operaciones están en línea recta: simplemente se bombardea la muestra del liquido con la apropiada secuencia de pulsos de radio. Desde 1997, estos dos grupos y otros, especialmente en Los Alamos y la Universidad de Oxford, han construido computadoras cuánticas NMR liquidas con más de siete qubits para ejecutar simples algoritmos, uno de los cuales aun pertenece a la familia matemática de la formula para romper códigos de Shor.

 

Desdichadamente, las computadoras cuánticas basadas en el NMR liquido nunca serán mucho más poderosas que estas. Las señales de consulta que ellas producen caen exponencialmente con el numero de qubits implicados en el calculo, porque la proporción de moléculas encontradas en el estado inicial apropiado decrece. Por lo tanto los científicos no esperan que sea posible manipular más que una docena de qubits o muy antes de que la señal se vuelva indistinguible desde el fondo. Los intentos para construir maquinas que puedan manejar mas de 10 qubits continua, pero si alguna vez la computación cuántica es aun posible, algún otro                         .

 

 

Iones Refrigerados

 

Una tecnología que esta menos en el ojo publico que NMR ha atraído otros.  En 1995 Ignacio Cirac y Peter Zoller de la Universidad de Innsbruck, en Austria, sugirieron usando una trampa de ion construir la entrada lógica. La tecnología detrás de la trampa de iones es usada por el espectroscopio y para mejorar el tiempo y la frecuencia estándares, pero grandes adelantos son necesitados para la computación cuántica. La idea es que un numero de iones ultra-frios puede ser atrapados usando un dispositivo conocido como una trampa de radiofrecuencia lineal. Este dispositivo establece un campo de alta frecuencia que coge los iones firmemente en dos dimensiones pero solo débilmente en la tercera dimensión. Porque los iones tienen la misma carga, ellos se repelen unos a otros y tienden a acomodarse en una línea recta, por igual espaciados, como cuentas en una cuerda elástica. El arreglo les permite vibrar como un grupo en forma importante para la computación cuántica.

 

Los qubits son inicialmente almacenados en el estado spin interno de los iones relativo a un campo magnético de fondo. Ellos están escritos a los iones usando un pulso, oscilando el campo magnético, el cual lanza los bits o los coloca en una superposición de estados up (arriba) y down (abajo), dependiendo de su duración. Una ventaja de las trampas de iones que esta superposición es extremadamente robusta,  duradera por al menos tanto tiempo como los qubits en NMR, tiempo amplio para llevar a cabo la operación lógica deseada.

 

Para compartir los qubits entre los iones, los científicos acudieron hacia las vibraciones del ion. El objetivo es enfriar los iones hasta que un grupo de ellos este absolutamente quieto. Esto es el estado base del sistema. Injecta un poco de energía, y los iones empiezan a vibrar. Pero siendo partículas quantum, los iones pueden existir en una superposición del estado base y el estado vibratorio, por lo tanto la vibración puede ser usada para almacenar un qubit. Porque todos los iones toman parte en la vibración, este qubit es compartido entre ellos. Es como si este movimiento colectivo es una especie de bus de datos, permitiendo a todos los iones temporalmente compartir la información y llegar a ser unidas. Este compartimiento permite las operaciones de  tipo IF y THEN que son los bloques para construcción de las entradas lógicas de la computadora. Por ejemplo: una instrucción podría ser: IF el estado  vibraciónal es I, THEN lanza el qubit en el primer estado spin interno del ion. Los investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología (NIST - National Institute of Science and Technology) ya han demostrado que una cuerda de cuatro iones puede ser unida y han dicho que más pueden ser posibles.

 

Al menos cuatro grupos alrededor del mundo están trabajando en las computadoras cuánticas de trampas de iones, pero el equipo de David Wineland en el NIST esta ampliamente considerado como el líder. Su grupo ha construido una entrada lógica de 2-qubit usando un simple ion enfriado de berilio a su estado base de vibración. Usando un láser enfocado en el ion, el grupo superpone en el campo magnético de fondo un segundo campo magnético con una magnitud que varia con la posición del ion. La vibración del ion lo causa para experimentar un campo magnético oscilando, y cuando la frecuencia de la oscilación armoniza la diferencia de energía entre los dos estados spin iniciales del ion, la energía es transferida desde el spin hacia el estado vibracional, mapeando la información cuántica hacia el estado vibracional desde el estado spin (ver figura). Esto es lo básico de una entrada de NOT-contolado y fue realizada en 1995 solo unas pocas semanas después del anuncio de Cirac y Zoller. Leer el dato involucrado dispersa la luz apagada del ion, dado que un ion spin up puede ser hecho para dispersar fuertemente, mientras un ion spin down se espacira a duras penas.

 

 

Las trampas de iones, también, tienen sus limitaciones. Uno es el corto tiempo de descoherencia de los qubits despues de transferir hacia el bus de datos vibracional. Porque los iones son cargados, las vibraciones son fuertemente influenciados por los campos eléctricos de permanencia, causando descoherencia. Nada menos, el grupo esta confiado que esta tendencia puede ser vencida aislando la trampa del medio ambiente. Las trampas de iones también pueden sufrir por problemas de escalabilidad. La mayoría de iones que hay en la trampa, el riesgo de extraer estados vibracionales incontrolables y por lo tanto destruir el calculo. El siguiente paso será construir trampas adyacentes, cada una reteniendo solo pocos iones, y enviando la información cuántica desde una trampa a otra, ya sea físicamente moviendo los iones o por un fenómeno peculiar para la información cuántica llamado Teleportación.

 

 

Las Alternativas

 

Mientras el liquido NMR es condenado debido a los problemas de trabajo a temperatura ambiente, muchos grupos están investigando llevando a cabo manipulaciones de tipo NMR en átomos simples en el estado sólido. En particular una proposición de Bruce Kane de la Universidad de Maryland ha atraído la atención. Su idea es ocultar un arreglo de  átomos de fósforo en silicona y  cubierto con una capa aislante, encima del cual se sitúa un arreglo de electrodos, cada uno de los cuales puede aplicar un voltaje al átomo debajo del. El ingenioso aspecto de este arreglo es como Kane propone controlar el spin de cada núcleo.

 

Justo como en el NMR, el spin de cada núcleo puede ser lanzado siendo atacado con ondas de radio de solo la correcta energía - pero, ciertamente, estas ondas de radio lanzarían todos los núcleos. Ahora los átomos de fósforo tienen un simple electrón en su cascara externa que interactua con el spin nuclear de una manera compleja. Aplicando un voltaje al átomo cambia la energía requerida para direccionar el spin nuclear y el spin electrónico, y por eso cambia la frecuencia de radio necesitada para lanzar el núcleo. Por lo tanto aplicando un voltaje a un especifico electrodo y atacando el arreglo con la nueva
frecuencia, es posible dirreccionar un particular núcleo.

 

Pero para llevar a cabo una operación lógica de NOT-controlado, 2-qubits tienen que ser unidos. Kane también tiene una manera de hacer esto. Los voltajes aplicados entre los átomos de fósforo adjuntos en el arreglo pueden encender o apagar las interacciones entre los electrodos externos en cada átomo, permitiendo operaciones de 2-qubit.

 

Ciertamente, la teoría es muy bien. La dificultad es realmente construir tal dispositivo, y los colaboradores de Kane están trabajando en eso. En el centro para la Tecnología de la Computadora Cuántica en la Universidad de New South Wales, en Australia, Robert Clark encabeza un equipo que esta esperando vencer de los obstáculos de los lados del dispositivo de Kane. Lo primero es la dificultad de crear el arreglo atómico y prevenir que los átomos de fósforo migren sin el silicio.

 

Kane esta implementando un laboratorio para estudiar otro aspecto desafiante de su dispositivo: el reporte. Una vez que la operación uno-o dos-qubit ha sido completada, el resultado tiene que ser leído desde el spin nuclear. Una vez mas, Kane confía en la unión entre el spin nuclear y el spin electrónico para obtener una respuesta. Midiendo muy  cuidadosamente el spin del electrón, él dice, es posible inferir el spin de los núcleos. Medir el spin de un particular electrón nunca ha sido hecho, pero Kane dijo que esto podría ser posible cortamente.

 

La idea de Kane ha atraído mucha atención porque muchas de estas entradas lógicas pueden ser unidas juntas para formar una gran computadora cuántica, aunque hacerlo puede tomar algún tiempo. Clark de New South Wales cree que un manojo de qubits podría ser posible en un plazo mediano.

 

El fenómeno cuántico de la superconductividad puede también resultar útil para construir la computadora cuántica. En 1999, en la Universidad Delft de Tecnología en Holanda, un equipo diseño un circuito supecondutivo en el cual superpuso corrientes contra-girando podría  resultar útil para almacenar y manipular qubits. El circuito consiste de un loop (bucle) con tres  o cuatro empalmes de Josephson para               el estado del circuito.

 

El hecho de que este hecho por técnicas litográficas de rayo de electrones convencional lo hace particularmente conducente para una integración a gran escala. Sin embargo, los circuitos superconductores tienen tiempos de descoherencia cortos, y las técnicas de hoy para medir los estados de los circuitos son todavía demasiado invasivas para la manipulación útil de qubits.

 

Una más avanzada tecnología del estado-solido en el punto cuántico (dot cuántico), esencialmente un semiconductor que atrapa un discreto numero de electrones. Estos han sido estudiados desde los inicios de los 90's porque los electrones atrapados actúan como átomos artificiales, con su propia tabla periódica y química. Luego en 1998, David DiVincenzo de IBM y Danie Loss de la Universidad de Basel, en Suiza, propusieron usar puntos cuánticos como los bloques de construcción de una computadora cuántica, y una variedad de ideas han sido desde entonces planteadas para explotar las propiedades de los  puntos cuánticos para la computación. Una idea es un sistema de dos-qubit consistente de dos electrones compartidos por cuatro puntos cuánticos en un cuadrado. Los electrones, buscando minimizar su energía, ocupan esquinas opuestas del cuadrado, y desde este arreglo tienen dos configuraciones, ellos existen como una superposición que es manipulable a través de los electrones en las esquinas del cuadrado. Un numero de otros técnicas involucra leer y escribir datos a los puntos con pulsos láser y colocar un particular núcleo en el centro de cada punto que puede ser direccionado con técnicas NMR, un poco como en el objetivo de Kane.

 

 

Una Internet cuántica

 

Los problemas en escalar muchos de estas ideas ha persuadido a muchos científicos que si la computación cuántica esta empezando a ser útil, tendrá que involucrar una conectar computadoras cuánticas pequeñas juntas. Pero enviar información cuántica de un lugar a otro es complicado. Una opción es físicamente mover los qubit, pero entonces seria expuesta a la descoherencia. En 1993 , sin embargo, Charles Bennett del Laboratorio Thomas J. Watson de IBM, en Yorktown Heights, N.Y., y unos pocos colegas alcanzaron una diferente opción: la teleportación.

 

La teleportación utiliza la profunda unión que el entramado establece entre un punto en el universo otro. Bennettt teoriza que el entramado podría actuar como un tipo de línea telefónica por el cual enviar la información cuántica - en otras palabras, crear un par entramado de partículas y enviar uno de ellos para recibir mientras conservas el otro. (Ver "Teleportación cuántica"). Este proceso une estos dos puntos en una manera que permite el intercambio de información cuántica desde un qubit  a otro.

 

Bennett y sus colegas tuvieron que esperar cuatro años para ver sus predicciones verificadas. En 1997, en un pequeño cuarto en la Universidad de Innsbruck, en Austria, un grupo de físicos liderados por Anton Zeilinger llevo a cabo el primer experimento de teleportacion. Los viajeros de Zeilinger fueron 2 fotones que él estaba enviándolos solo un metro o algo así, desde un lado del laboratorio hasta el otro. Hoy, mas de tres años después, Zeilinger esta trabajando en el siguiente paso, el cual es teleportar fotones sobre distancias de un kilometro.

 

Poco después del adelanto repentino de Zeilinger, Cirac y Zoller propuso que la teleportacion podría empezar las bases de un tipo de Internet cuántica. Y en Marzo del 2000, Seth Lloyd y Selim Shahriar en el MIT y Philip Hemmer en el Laboratorio de Investigaciones de la Fuerza Aérea de los EE.UU., en Lincoln, Mass. , sugirieron enviar fotones entramados sobre fibra óptica hacia nodos conteniendo átomos fríos que absorberían los fotones y almacenarían el emtramado. Este entramado podría luego ser usado para la corrección de errores, teleportacion, y varias otras aplicaciones valiosas. Un numero de grupos están trabajando en estas ideas, incluido Jeff Kimble en el Instituto De Tecnología de California en Los Angeles. Ellos esperan tener una red de tres nodos corriendo dentro de 10 años.

 

Algunos científicos esperan por aun más grandes cosas del entramado, creen que será tan útil que un día será tratado como una corriente sobre la Internet cuántica. Considerable progreso será requerido antes de cualquier cosa remotamente como que empieza a ser posible. Aun así, el paso de innovación en la computación cuántica ha excedido al más salvaje sueño de los científicos. Solo cinco años atrás, muchos estuvieron confiados que las computadoras cuánticas no serian construidas en 20 años, sin embargo NMR  les demostró el error en un año. Solo los más valientes pronosticadores se atreverían a predecir como el campo estará dentro de cinco años desde ahora.

 

 

EDITOR DE SPECTRUM: SAMUEL K.MOORE ·

 

TELEPORTACIÓN CUANTICA   Partículas cuánticas enteras pueden ser "enviadas" de un lugar a otro sobre cualquier distancia. El proceso empieza con un emisor y un receptor, Alice y Bob. Los pares están en lados opuestos del universo pero están en posesión de los fotones A y B, respectivamente, los cuales están entramados. Alice también sostiene el fotón C, el cual esta en el estado que ella quiere teleportar a Bob. Las partículas entramadas tienen la propiedad de que una medición en uno inmediatamente determina el estado del otro. Si Alice lleva a cabo un procedimiento que entrama los fotones A y C, el fotón B, cogido por Bob, esta forzado a adoptar el estado original, una particular polarización, dice, del fotón C. Bob puede solamente medir este estado si Alice le envía los detalles del tipo de experimento que el debería hacer para conseguir el mensaje, y esta puede solamente ser hecha en o debajo de la velocidad de la luz. Aunque solamente el estado cuántico del fotón C es teleportado, cuando el fotón B adopta este estado, no puede ser distinguido del fotón C. Esta es lo que los físicos quieren decir cuando dicen que el fotón C ha sido teleportado de Alice hacia Bob.   La teleportacion fue primero demostrada por un grupo de investigadores en la Universidad de Innbruck usando el arreglo experimental usado aquí. Los pares de fotones entramados, con polarización ortogonal uno y otro, son generados dividendo un pulso láser ultravioleta usando un cristal llamado covertor-hacia

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TELEPORTACIÓN CUANTICA   abajo parametrico. Uno de los pares (fotón A) es enviado hacia Alice mientras que el otro (fotón B) es enviado a Bob. Mientras tanto, un fotón de mensaje C es preparado en un estado que esta siendo teleportado hacia Bob - en este caso, la polarización de 45 grados. Este es enviado hacia Alice y llega coincidentemente con el fotón A en un rayo - divisor. Si los fotones dejan el divisor y chocan con ambos detectores, ellos se han convertido en entramados, y Alice envía avisos del entramado hacia Bob. Bob puede entonces llevar a cabo una medición en el fotón B para confirmar que esta en el estado de polarización de 45 grados en que el fotón de mensaje C salió. J.M.