martes 16.07.2019
LOS QUBITS Y SUS POSIBILIDADES

Materiales de diseño

La mecánica cuántica ha proporcionado un conocimiento más profundo del comportamiento de la materia y eso permite que los científicos puedan partir de la teoría en vez del método de ensayo y error para diseñar y fabricar materiales para aplicaciones específicas.

Procesador cuántico estado sólido. Imagen de pdm.com.co
Procesador cuántico estado sólido. Imagen de pdm.com.co

Un qubit es un bit cuántico, es decir, tiene dos estados distintos pero sólo se pueden explicar con la mecánica cuántica. Pese a ser unos recién llegados despiertan muchas esperanzas en aplicaciones de diversos tipos, especialmente por una característica que les diferencia de los bits tradicionales y es que al contrario que éstos cuyos valores pueden ser solamente 0 ó 1, un qubit puede tener valores entre ellos.

Parte de este artículo se ha obtenido de la conferencia que Gloria Platero, profesora de investigación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) pronunció el mes pasado en el ágora de la Ciencia de la Residencia de Estudiantes en Madrid aunque evidentemente los posibles errores que aparezcan en el artículo corresponden al autor.

Los puntos cuánticos se podrán utilizar también como marcadores biológicos dice G. Platero, del CSIC.

De las posibilidades de los qubits para la computación se habló por primera vez en el Instituto tecnológico de Massachussets (MIT) en 1981 al enfrentarse a las limitaciones que tiene un ordenador tradicional para descomponer un número en producto de factores primos. Algunos podemos recordar que esa operación era necesaria para determinar el mínimo común múltiplo o el máximo común denominador de un conjunto de números. El matemático Pether Shor inventó el algoritmo que lleva su nombre en 1994 para poder realizar esa operación que se puede hacer de forma muy eficiente usando qubits. Hasta entonces, la cantidad de tiempo que necesitaba un ordenador aumentaba mucho cuando el número era grande, tanto que en la práctica era inviable para un ordenador hacerlo. Gracias a esa complicación, Rivest, Shamir y Adleman desarrollaron en 1978 un algoritmo para encriptar información. Ese método fue conocido como RSA por las iniciales de sus nombres y se ha utilizado mucho desde entonces en ese campo.

La spintrónica es hacer qubits aprovechando la polarización  de los núcleos de los átomos.

Hace doce años nació la spintrónica, para hacer qubits aprovechando la polarización de la magnetización de los núcleos atómicos de moléculas. El semiconductor más desarrollado es el de arsenio-galio pero se están considerando también el silicio y el carbono como candidatos. Hasta el momento, otoño del presente año, se ha conseguido situar cuatro átomos juntos pero todavía no se han hecho operaciones. Sí se ha conseguido, gracias a DiVincenzo, establecer cinco criterios que desarrollan las condiciones que deben tener estos átomos artificiales. Esta base teórica, unida a los supercomputadores que se está tratando de construir utilizando la mecánica cuántica permitiría probar miles de materiales susceptibles de utilizarse en paneles solares, baterías nuevas, celdas de combustible y chips para ordenador en vez de tener que estudiar un material tras otro, en un esfuerzo que requiere mucho tiempo y energías.

Pongamos un ejemplo de cómo se han venido haciendo las cosas: son famosos por sus escritos y por la película protagonizada por Spencer Tracy los ensayos que realizó Thomas Edison en 1878 para encontrar un material adecuado para la iluminación eléctrica, que emplearon miles de materiales durante catorce meses hasta encontrar en el hilo de algodón carbonizado un elemento que podía iluminar, se calentaba poco, duraba mucho y que fue el que patentó. A pesar de ese trabajo ingente, veinte años más tarde otro inventor perfeccionó el filamento de tungsteno, que ha sido desde entonces la base de las lámparas incandescentes construidas y que dejó fuera del mercado el filamento que tanto esfuerzo y tiempo había empleado Edison en encontrar.

Hacen falta entre 15 y 20 años para que un nuevo material se empiece a vender según el profesor T. Eagar del MIT.

Este es un caso bastante conocido, pero la realidad es peor. El profesor Thomas Eagar, del MIT descubrió que por término medio hacen falta entre quince y veinte años desde que se ensaya un material en el laboratorio hasta que se aplica comercialmente. Y esto en el caso de que tenga éxito. Cuando en 1991 Sony inició la venta de la batería de ión-litio pareció un avance gigantesco e inesperado pero casi nadie supo entonces que se habían empleado casi veinte años de trabajo de miles de investigadores hasta llegar a ese descubrimiento.
Ahora la mecánica cuántica ha proporcionado a los científicos un conocimiento más profundo del comportamiento de la materia, permitiéndoles investigar a partir de la teoría en vez del método de prueba y error: independientemente de la complejidad de un material, sus propiedades –densidad, dureza, brillo, conductividad- dependen de las características cuánticas de los átomos que lo forman.
Desde 2011, la revista American Scientific dirige un Proyecto de materiales cuyo objetivo es acelerar esta revolución proporcionando bases de datos gratuitas y abiertas a todo el mundo con las propiedades fundamentales electrónicas y termodinámicas de todos los compuestos inorgánicos que se conocen. De momento han calculado las propiedades básicas de casi todos los 35000 materiales que  existen en la naturaleza y de otros miles que sólo existen en teoría y 5000 científicos se han registrado como usuarios de esta base de datos que usan para diseñar nuevos materiales.

El Materials Project ha creado una base de datos con las propiedades fundamentales de casi 40000 materiales que está a disposición de los diseñadores de materiales nuevos.

Lo primero que se hace es “fabricar” nuevos materiales usando miles de cálculos de mecánica cuántica de modo que el ordenador coloque átomos virtuales en cientos de estructuras cristalinas. El siguiente paso es  calcular las propiedades de estas estructuras virtuales, para ver qué aspecto tienen, su rigidez, si absorben la luz, lo que ocurre cuando se les deforma, si son aislantes o metales y se le pide al ordenador que seleccione aquéllos que tengan unas determinadas propiedades. Los datos así generados se guardan en una base de datos que se pueda consultar en el futuro.

Esta herramienta abre un campo muy amplio de posibilidades a la hora de buscar electrodos para una batería, una aleación de metal específica, un nuevo semiconductor,  con aplicaciones en la energía solar, la optoelectrónica, los láseres, la bioimaginería, e incluso en ciencias de la salud, construyendo marcadores biológicos.

Las características de estos superordenadores se están determinando: se calcula que “simplemente” sesenta qubits tendrían una potencia de cálculo del orden de teraflops,  velocidad de proceso que no se consiguió hasta 2006; desde junio de este año, el nuevo pico está en 33 petaflops, es decir, 33000 veces más rápido. Con 7 qubits se podrían descomponer números de quince dígitos como producto  de números primos; su tamaño es muy pequeño, un punto cuántico tiene una dimensión de 100 a 200 nanómetros (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro) y toda la estructura tendría entre cuatrocientos y quinientos nanómetros. Además, las operaciones se hacen en sólo picosegundos, que son una billónesima de segundo, pero una billonésima europea, es decir la millonésima parte de una millonésima de segundo.

Hasta llegar allí hace falta construir una estructura que cumpla los criterios de DiVincenzo y los problemas que actualmente aparecen como más difíciles de solucionar son escalar esas moléculas artificiales, es decir, aumentar el número de qubits que tienen y controlar la temperatura de funcionamiento.

Es una tarea complicada pero los avances que se están produciendo y las posibilidades de este campo son un gran impulso para seguir adelante.

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