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Salto cuántico: la luz se detiene

"Este artículo será un acicate para muchos laboratorios de todo el mundo, que intentarán trabajar con el silicato de itrio para ver si pueden repetir la experiencia"

Si los átomos de un gas de rubidio son enfriados a algunas millonésimas de grado por encima del cero absoluto, se observa un comportamiento interesante, denominado Condensación de Bose-Einstein (los átomos pierden su individualidad y se combinan en un único estado cuántico). En estas condensaciones, los átomos fluyen si fricción, por lo que se habla de superfluidez. Nuevas investigaciones que partieron del trabajo realizado Eric Cornell (fue el primero en lograr estos condensados en 1995, y mereció el año pasado el Nobel de Física), han demostrado un comportamiento curioso de esos condensados (en adelante BEC, por su sigla en inglés). Bajo ciertas condiciones, el BEC experimenta una transición de fase cuántica y cambia su condición de superfluido a una de fluido en pattern (según un patrón), lo que determina una nueva clase de materia. En la actualidad, las computadoras cuánticas son escuálidos dispositivos cuya mayor hazaña de cálculo ha sido el factoreo del número 15. No obstante, su potencia crece en forma exponencial con el tamaño, de modo que, cada vez que las computadoras cuánticas aumentan de tamaño, los investigadores se entusiasman.

De hecho, dos artículos científicos publicados este mes exponen nuevos métodos para almacenar información y realizar cálculos en gran escala que implican cientos de miles de bits cuánticos (qubits). Estos dos trabajos son fundamentales para el desarrollo de computadoras cuánticas y plantean nuevas dificultades teóricas y de ingeniería.

Uno de estos sistemas trabaja con un nuevo estado de la materia que se denomina "aislador de Mott" (Mott insulator) o "líquido con patrones" (patterned liquid). El otro describe un método para detener, almacenar y recuperar pulsos de luz como si se tratara de átomos que se conservan tal como se puede guardar leche envasada en la heladera.

Esta semana, un equipo de físicos del Instituto Max Planck de Optica Cuántica de Munich y del Instituto de Electrónica Cuántica de Zurich publicaron en la revista Nature un artículo en el cual describen cómo enfriaron un gas de átomos de rubidio y consiguieron que formara una estructura ordenada en forma de grilla cuadricular. Cada elemento de la grilla está ocupado por un átomo y sólo uno, que puede manipularse mediante pulsos magnéticos muy precisos.

"Una manera de representar este nuevo estado de la materia es imaginar uno de esos recipientes de cartón que se usan para envasar huevos, con los huevos adentro -dice Immanuel Bloch del Instituto Max Planck-. En este caso los 'huevos' representarían los átomos y el 'recipiente de cartón' sería un cristal de luz."

Los haces de rayos láser que se entrecruzan forman una estructura de tipo cristalino que determina los límites dentro de los cuales está confinado cada átomo, tal como ocurre con la estructura de cartón que contiene los huevos. Se consigue que los átomos no se muevan del lugar asignado manteniendo una temperatura extremadamente baja (menos de un cienmillonésimo de grado por encima del cero absoluto).

"Por su propia naturaleza, la fase del aislador Mott exige que cada átomo esté aislado -explica Henk Stoof de la Universidad de Utrecht, Países Bajos-. Los átomos no interactúan entre sí. De modo que no hay riesgo de posibles interacciones."

Bloch y sus colaboradores consiguieron mantener este notable ordenamiento en una red que contenía unos 150.000 átomos de rubidio. Cada átomo actúa como una diminuta barra magnética que puede adoptar dos estados (hacia arriba o hacia abajo, 1 ó 0) o, en el caso de un qubit, estados cuánticos intermedios y extraños que apuntan hacia arriba y hacia abajo a un mismo tiempo.

Como cada átomo está aislado y no sufre perturbaciones, es posible utilizarlo para los distintos pasos de un algoritmo cuántico, cuyo desarrollo exige que no haya a la deriva átomos, ni electrones ni fotones que puedan rebotar y alterar el delicadísimo proceso que se lleva a cabo.

Hay una tarea sumamente difícil que todavía no se ha realizado: desarrollar las compuertas lógicas cuánticas que podrían materializar un cálculo con estos qubits. Desde luego, también habría que idear una manera de leer los resultados de esos cálculos una vez realizados.

Aunque las investigaciones correspondientes están todavía en curso, el equipo de Bloch tiene ya algunas ideas para resolver estos temas, en las cuales se aplicarían pulsos como los que se utilizan en las máquinas NMR.

Mientras Bloch y otros investigadores de todo el mundo entienden que los aisladores de Mott son lo último en procesamiento cuántico, hay otro grupo de científicos que abordó el tema de las memorias RAM cuánticas.

"Las computadoras cuánticas no podrán funcionar si no existe algún elemento de almacenamiento -dice Philip Hemmer de Texas A&M-. Todos se dedican hoy a los procesadores, pero hay muy pocos que piensen en el almacenamiento."

Hemmer y otros colegas suyos del A&M, del MIT y del Centro de Coherencia y Comunicaciones Cuánticas de Corea del Sur están a punto de publicar un artículo sobre un sistema de memoria cuántica que han ideado. El trabajo saldrá publicado en el número del 14 de enero de Para la realización de muchísimos proyectos cuánticos, la posibilidad de mantener fijos en un lugar los pulsos de luz es fundamental.

Hemmer y sus colaboradores han adaptado trabajos previos llevados a cabo en Harvard. Los pulsos de haces láser se hacen pasar por un medio cuya opacidad se incrementa mediante un segundo láser. El sistema permite reducir drásticamente la velocidad de avance de la luz, que se hace muy lenta. En algunos casos, la luz queda detenida a la espera de que se restauren las condiciones que permiten su movimiento.

La investigación que se desarrolló en Harvard y estudios posteriores aplicaron esta técnica a un gas. Hemmer y su equipo fueron los primeros en aplicarla a un sólido, un cristal de silicato de itrio con algunas impurezas constituidas por átomos de una tierra rara, el praseodimio. Puesto que la mayor parte de los elementos electrónicos está hecha con componentes de estado sólido, Hemmer cree que este método puede tener aplicaciones inmediatas para el almacenamiento de información cuántica.

Hasta ahora, nadie ha podido garantizar la transmisión de información sin distorsión a través de estos sistemas de almacenamiento y recuperación, ni siquiera Hemmer y sus colaboradores. Se han limitado a desarrollar una especie de "freezer". Hay un largo camino para recorrer todavía en cuanto a los procesos de "descongelamiento" se refiere.

Como bien lo dijo Neil Manson del Centro de Física Láser (Laser Physics Centre) de la Universidad Nacional de Australia, la carrera apenas ha comenzado.

"Este artículo será un acicate para muchos laboratorios de todo el mundo, que intentarán trabajar con el silicato de itrio para ver si pueden repetir la experiencia", comentó el australiano.

Fuente: Wired. Aportado por Joe Garrafex

11/ene/02

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