Un microbio que medra en uno de los más inhóspitos ambientes de la Tierra podría ayudar a los ingenieros a construir la primera computadora cuántica. El organismo, que vive en hirvientes charcas sulfurosas, posee una proteína que tiene una gran capacidad de ordenar estructuras. Usando esta proteína, los científicos de la NASA pudieron crear estructuras regulares de "puntos cuánticos" (quantum dots).
Un "punto cuántico" consiste en una pequeñísima porción de oro o material semiconductor de unos pocos nanometros que puede confinar un electrón en un espacio tan pequeño que su comportamiento cuántico se impone sobre el clásico. Los puntos cuánticos como ése son elementos básicos para fabricar sensores químicos, ya que los estados cuánticos de los electrones cambian cuando ciertas moléculas se arriman a esos puntos. Pero hay aplicaciones potenciales más exóticas a la vista: la creación de una computadora cuántica.
Los físicos piensan que los estados cuánticos de los electrones se pueden usar como bits cuánticos —a lo que se les llama qbits— para codificar datos en una computadora cuántica. Esta computadora sería super-rápida, porque los electrones atrapados en un punto cuántico pueden estar en varios estados cuánticos al mismo tiempo, de modo que se pueden combinar varios en un grupo y así llevar adelante diversos cálculos simultáneos.
Una de las dificultades más grandes para crear una computadora cuántica es que se debe lograr una manera de procesar los frágiles estados cuánticos sin destruirlos. Algunas estrategias se basarían en el uso de fotones que podrían leer y cambiar los estados cuánticos de los electrones, pero para lograr eso los puntos cuánticos deben estar colocados en estructuras regulares. Andrew McMillan y Jonathon Trent, del centro de investigación Ames de la NASA en California, habrían encontrado un modo de hacerlo.
La clave está en unas proteínas con forma de rosquilla que se organizan por sí mismas, acomodándose en grandes hojas planas. Los investigadores de la NASA pensaron que se podrían alinear puntos cuánticos, atrapándolos en los agujeros de las "rosquillas". Como las proteínas —las rosquillas— se acomodan solas, serían las estructuras regulares que ellos están buscando.
La proteína que sirve para esto pertenece a una familia conocida como las chaperoninas, cuya función usual es monitorear el posicionamiento correcto de otras proteínas. Proviene de una arqueobacteria extremófila llamada Sulfolobus shibatae, que vive en las aguas calientes y ácidas de las charcas geotérmicas.
Pero la proteína natural no tiene la capacidad de "atrapar" los puntos cuánticos. Para lograr eso, los investigadores debieron ubicar unidades de "pegajoso" aminoácido cisteína en el agujero central. Lo hicieron alterando el gen de la proteína e insertándolo en el ADN de una bacteria E. coli, que luego produjo la proteína modificada.
Calentando las E. coli se destruyen todas sus proteínas, excepto la chaperonina del extremófilo, que es altamente resistente al calor. Los investigadores pudieron recolectar y purificar la proteína en forma de cristales de hasta 20 micrometros, que contienen decenas de miles de moléculas ubicadas en una estructura regular.
Luego hicieron pasar una suspensión de partículas de oro o de semiconductor sobre los cristales de proteína. Al limpiar y secar los cristales, el microscopio electrónico les mostró que habían quedado retenidas partículas dentro de la mayoría de los huecos.
El equipo de la NASA espera usar este mismo método de auto-organización para fabricar otros componentes de computadora a nanoescala. Una posibilidad es atrapar partículas magnéticas en el cristal para formar memorias a escala molecular. David Goldhaber-Gordon, estudiante de ingeniería cuántica de los puntos en la Universidad de Stanford, piensa que el trabajo de la NASA puede ser muy útil para ayudar a la construcción de circuitos a nanoescala, quizás implantando conectores en los agujeros de las rosquillas, que luego se unirían a unos nano-alambres.
