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Por Leonardo Moledo

Juan Pablo Paz es físico, Director del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires y además docente en la misma facultad. –Siempre empiezo igual. Cuénteme su tema de investigación. –Bueno, yo trabajo en varias cosas y uno de los temas a los que más me he dedicado es a la computación cuántica. Ustedes ya sacaron algo... –Sí, sí, ya sacamos alguna vez en Futuro (29/05/99) un artículo sobre ese tema y usted mismo escribió un recuadro, hace un año y medio más o menos, y me parece que es el momento de refrescarlo, ¿no? Además es un tema suficientemente complejo e importante como para seguir teniéndolo presente y... –Y es uno de los temas en los que se invierte mucho dinero... –La idea data de los ‘80, ¿no? –Sí, la idea de computación cuántica aparece a partir de la década de los ‘80, como una especulación teórica. Porque los tipos (ver recuadro) se preguntaron: en una computadora normal, digamos, cada cero y cada uno está guardado en el estado de algún objeto. Esto es, cada grano imantado del disco rígido de su computadora es un cero o un uno. –Bueno, ¿y? –Y resulta que cada granito magnético tiene cien mil millones de átomos. Pero fíjese lo siguiente. El número de partículas necesarias para almacenar un uno o un cero disminuyó drásticamente. En el Eniac–la primera computadora– se usaban muchísimas más partículas, entonces, si uno extrapola, deduce que algún día se llegará al límite en el que se usará un solo átomo para almacenar un bit. –Es mucho extrapolar, me parece. No necesariamente la curva va a seguir cayendo. –Bueno, pero extrapolar se puede, y los físicos, en especial Richard Feynman, empezaron por preguntarse qué iba a pasar cuando cada bit se almacenara en un solo átomo, y encontraron (o fantasearon, o se dieron cuenta) que se podían hacer cosas muy raras, muy distintas... –Bueno, pero, ¿por qué se harían cosas muy distintas? –Porque la naturaleza, en escala microscópica, se comporta de manera extraña, completamente antiintuitiva... –¿Por ejemplo? –Por ejemplo, una partícula cuántica puede estar en un estado donde se superponen el cero y el uno. –Es como si guardara un cero y un uno a la vez. Suena antiintuitivo, sí. –Entonces, si uno fabrica computadoras con objetos de ese tipo, bueno, hay que repensar la noción misma de calcular, y así la teoría se fue desarrollando de a poco. Imagínese que darse cuenta de cómo hacer para resolver un problema matemático no es algo tan trivial. En el ‘94, Peter Schor, un matemático que trabaja en el Bell Lab, descubrió el punto esencial: cómo hacer para utilizar esos objetos para computar. El trabajo produjo un verdadero boom... –...finalmente son los matemáticos los que sacan las papas del fuego. –Efectivamente, cuando los físicos les dan las ideas rectoras y básicas para que hagan el trabajo... Pero lo cierto es que Peter Schor es un genio y descubrió cómo extraer información de esos objetos cuánticos mediante un experimento de interferencia. Descubrió cómo hacer para factorizar números enteros en un número de pasos polinomial... –...polinomial... –Polinomial, es decir, que crezca como una cierta potencia del número (al cuadrado, al cubo, a la dieciséis), y no que crezca más allá de cualquier potencia. Fíjese que si el problema de la factorización de números enteros se puede resolver en forma polinomial, bueno, es muy importante por el tema de los códigos secretos. Cuando usted manda por Internet el número de su tarjeta de crédito, eso se codifica mediante sistemas que se basan en la factorización de números muy grandes.
–Es el famoso sistema de clave pública, ¿no?
–Sí. Nadie puede romper el código, porque factorizar un número muy grande lleva océanos de tiempo, aun con una computadora. Por eso este tipo de claves son seguras.

Simulare y sere millones
–La encriptación es uno de los motores que impulsan la investigación en este campo, pero no es el único. El verdadero motivo no es la encriptación sino la simulación (una de las herramientas básicas que utiliza la Física Teórica y la ciencia en general). Conociendo las leyes básicas que gobiernan un fenómeno, uno lo simula: por ejemplo, un avión. Uno pone las leyes de la dinámica de fluidos y resuelve las ecuaciones de la hidrodinámica, y luego agrega las condiciones iniciales y simula el comportamiento de un avión.
–O un agujero negro.
–O un agujero negro. La simulación numérica es una herramienta fundamental, pero si uno se pone a pensar cuál es el tamaño de una computadora necesaria para simular la partícula más sencilla de la naturaleza, o un átomo...
–¿Qué pasa?
–Pasa que es fácil darse cuenta de que si las partículas obedecen a las leyes de la mecánica cuántica, apenas el número de partículas crece, el tamaño aumenta de una manera desorbitada, exponencialmente, de tal modo que se hace imposible resolverlo. Los problemas de ese tipo se conocen como “problemas duros”, y la mecánica cuántica, en ese sentido, es un problema duro. Para que tenga una idea, si uno quiere resolver las ecuaciones cuánticas para 300 partículas, ya no se puede porque no alcanza la memoria, hace falta 2 a la trescientos números, y en el universo hay unos 2 a la trescientos átomos. Es decir, necesitaría toda la materia del universo para construir una computadora capaz de resolver ese problema. Por eso, cuando yo le decía que en la práctica es imposible resolverlo...
–Ya veo. Además, si utiliza toda la materia del universo para construir esa computadora, no sé adónde vamos a ir a parar...
–Ni para qué resolverlo, ¿no?

Lo que dijo Feynman
–Bueno, y frente a esto, a este tipo de problemas, Feynman dijo: “Aquí hay algo que no puede ser, jamás seremos capaces de simular las leyes de la naturaleza, y esto pasa porque estamos usando computadoras básicamente insuficientes...”. Es Feynman el que habla, ¿se entiende?
–Sí, sí claro.
–Bueno, porque nosotros necesitamos todas las partículas del universo para simular un sistema de trescientas partículas, pero la naturaleza no lo necesita: lo hace con exactamente 300.
–Está bien, pero, bueno, es un tipo de simulación muy especial, porque también podría decirse que la naturaleza simula un árbol a la perfección, y que a uno le sería muy difícil simularlo y...
–Bueno, pero, sea como fuera, a los físicos les interesa: la idea de las computadoras cuánticas reduce drásticamente el número de unidades que usted necesita para esa clase de simulaciones y sería una herramienta muy útil a la hora de simular sistemas que obedecen las leyes de la mecánica cuántica. Y coincidió con que a mediados de los ‘90 hubo avances en la manipulación de sistemas cuánticos: enfriar átomos, ubicarlos, mirarlos con láseres. Y bueno, este tipo de dispositivos empezaron a ser usados para construir las primeras minicomputadoras cuánticas.
–¿De cuán mini está hablando?
–Bueno, hoy hay algunas que procesan con muy pocos bits. Las más grandes llegan hasta 5 bits, y el sistema es tal que uno puede ejecutar y programarla como a uno se le antoje, hacerla evolucionar, como decimos nosotros, y esa evolución está diseñada para que resuelva lo que uno quiera. Hay varias técnicas que se están poniendo a prueba en el mundo.

Corrección de errores, redundancia y el compact disc
–Yo hice varias cosas: primero, cómo lograr que la computadora cuántica haga lo que uno quiere que haga, porque las computadoras cuánticas–que son gigantescos interferómetros– son muy sensibles al ruido, y la computadora cuántica pierde todo su poder cuando es afectada por la interacción con el entorno. Yo trabajé en la teoría cuántica de corrección de errores, y hubo que desarrollar toda una serie de técnicas para corregir los errores de las computadoras.
–Las computadoras clásicas también cometen errores.
–Mmmm... sí, pero con una probabilidad bajísima. Para que un chip cometa un error y le dé que 1 más 1 = 3, necesita esperar años y años. Ahora, en los modems o en los pasadores de compacts portátiles sí, es muy fácil que ocurran errores y, efectivamente, se usan técnicas de corrección de errores permanentemente. La eficiencia de los discman portátiles se basa en la técnica más simple de corrección, que es la redundancia.
–A ver, a ver...
–Y sí, cada bit está guardado muchas veces, no en un pedacito sino en una tirita; entonces, si se hace una pequeña rayita, y se arruina una parte, queda el resto de la tira. La mejor manera de proteger la información es guardarla varias veces, logrando la redundancia, cosa que hace normalmente un compact disc.
–Y es lo que hace el ADN.
–Y es lo que hace el ADN.
–Y, en cierta forma, es lo que hace el lenguaje.
–Sí, a veces hace falta repetir las cosas varias veces para que a uno lo entiendan. Y bien, lo que hacemos entonces es trabajar en códigos de reparación de errores, y ahora estamos trabajando más en la idea de usar la computadora cuántica como herramienta de simulación. Hicimos algunos experimentos, construimos nuestra pequeña computadora cuántica local y realizamos algunos experimentos sencillos con tres bits que, si uno lo piensa, no es tanto más chica que la más grande que existe.
–Bueno, no está mal.
–Sólo que sabemos que nos vamos a quedar ahí y no la vamos a poder hacer crecer.
–No se queje. Seguro que en Yugoslavia no tienen ni un bit. Y además, nunca se sabe.

Límite entre lo clasico y lo cuántico
–En realidad, yo me metí en la computación cuántica porque mi área anterior estaba vinculada con el estudio de la frontera del mundo clásico y lo cuántico. O sea, cuando un sistema deja de comportarse cuánticamente y empieza a hacerlo clásicamente. Y yo trabajé en ese problema: cómo un sistema cuántico abierto, es decir, sometido a la interacción con el mundo externo, es forzado a portarse clásicamente. Fíjese que la mayoría de las propiedades cuánticas atentan contra el sentido común. Son propiedades difíciles de aceptar en el mundo macro. Para el sentido común, esta mesa está aquí o está allí, pero un electrón puede estar más o menos aquí o allí, o en los dos lugares a la vez con una cierta probabilidad. De ahí las famosas paradojas del gato de Schroedinger (ver Futuro 7/10/2000) y otras.
–Esas paradojas tratan de mostrar efectos cuánticos en el mundo macro.
–Sí. Y el motivo por el cual esos estados, que en principio podrían existir, no son observados, es porque los objetos macroscópicos interactúan con un entorno. Son sistemas abiertos, es decir no aislados, que están sometidos a la radiación cósmica, a la luz que entra por la ventana, a las fuerzas que actúan sobre ellos... en fin. El asunto es que si uno hace las cuentas bien, en la mayoría de los casos se puede demostrar que la interacción destruye la cualidad cuántica de los objetos, y hace que el famoso gato de Schroedinger esté vivo o muerto y no vivo o muerto a la vez, como ocurriría cuánticamente.
–Hace poco hicieron un experimento que mostraba un efecto cuántico macroscópico. Creo que es una especie de anillo superconductor, en el que circula una corriente circular en la que todos los electrones van para un lado y a la vez para el otro, o algo por el estilo.
–Mmm... sí, es algo por el estilo, aunque ese experimento habría que verlo con mayor detenimiento, ver si está realmente bien. Hay otros tipos que se dedican a crear gatos de Schroedinger, en una cavidad con una luz... Pero, bueno, yo me había dedicado a eso, y como es justamente uno de los problemas que afecta a las computadoras cuánticas, cuando empezó a agitarse el asunto de computación cuántica, ahí me empecé a interesar por el tema y, bueno, me metí.

Caos
–Otra cosa que estamos haciendo con nuestra computadora cuántica es simular sistemas caóticos, es decir, tratar de estudiar cómo se manifiesta el caos en la mecánica cuántica. La teoría del caos es una teoría que nos permite entender por qué las leyes de la física clásica, las leyes de Newton, están limitadas a veces por una hipersensibilidad a las condiciones iniciales, y muchas veces, pese a que las leyes son muy sencillas desde el punto de vista matemático, el resultado es caótico. El caos en la mecánica cuántica es distinto.
–Es cuántico.
–Desde ya, pero lo interesante es que la mecánica cuántica no manifiesta hipersensibilidad a las condiciones iniciales porque las predicciones son probabilísticas. En cierto modo, no hay caos en la mecánica cuántica.
–¿Y entonces?
–La forma en la que el caos se manifiesta es diferente, se manifiesta en la hipersensibilidad a las perturbaciones. Un sistema puede responder a las perturbaciones de manera hipersensible, y lo que hacemos es, con la pequeña computadora cuántica que tenemos, simular sistemas caóticos y poder simularlos de manera controlada.
–Lo cual tiene que ver con el asunto de la corrección de errores.
–Claro. Así que nosotros nos dedicamos al caos cuántico, al estudio de manifestaciones cuánticas de sistemas caóticos, a la posibilidad de estudiarlos mediante computadoras cuánticas y al estudio de cómo se comportan cuando se vuelven clásicos. Tratamos de ver cómo es que se recupera la noción más tradicional, la noción newtoniana del caos en el régimen semiclásico.

Un tema de onda
–Bueno, yo no diría que es exactamente un tema de onda, pero sí que es un tema en el que se está poniendo cualquier cantidad de plata, especialmente por parte de las agencias de seguridad cuyo principal interés es el manejo y la protección de la información: la CIA, la National Security Agency de los EE.UU. invierten fortunas...
–¿Usted cree que la SIDE aquí..?
–...es una de las vedettes anunciadas de la próxima década. Y es muy interesante, porque se invierte mucho en experimentos que se parecen a los experimentos mentales que dieron lugar a la mecánica cuántica, como los que pensaron Heisenberg, Bohr, Einstein.
–Los experimentos mentales que propusieron Einstein y Bohr financiados por la CIA... No deja de ser divertido.
–Sí. Están siendo financiados por gente cuyo interés es que dentro de 50 años haya máquinas que calculen de una manera distinta de lo que hoy llamamos calcular. Hacer una cuenta a mano o hacerla mediante la computadora es, en cierta forma, lo mismo. Pero una computadora cuántica calcula de una manera conceptualmente diferente. Es algo que en el mundo aparece como muy prometedor.

Volvere y sere tecnologia
–Bueno, usted me dice que es prometedor, pero no se puso a explicarme de qué manera esto se puede trasladar a la industria, como suele suceder.
–Ah, es que yo soy un científico básico no vergonzante. Las investigaciones que hoy en día se hacen en el mundo en ciencia básica... Bueno, algunos las venden como importantes, diciendo que serán tecnología en algún momento, y hasta puede ser cierto. Yo, por ejemplo, estoy seguro de que algunas de estas cosas que hacemos aquí serán útiles, pero ésa no es la motivación.
–El puro y simple deseo de conocer.
–La ciencia básica puede no ser “aplicable”, pero yo creo–y la imagen no es mía– que la ciencia no funciona como una línea de producción que va de la teoría al producto, al aparato o a la empresa, sino que es un ecosistema, donde hay distintos nichos ecológicos, hay simbiosis, intercambio, circulación. Y dentro de ese sistema ecológico, la gente que hace ciencia básica es necesaria para que el sistema funcione, y sin ella no funcionaría. Y si en un país como éste nadie se dedica a la matemática pura o la física básica, el sistema científico se muere. Para que se produzca algo aplicable tiene que haber algunos que piensen en las limitaciones últimas de la computación, o la física de partículas elementales.
–Aunque haya algunos que pregunten para qué sirve.
–Muy simple: sirve para crear oxígeno, oxígeno mental para que el resto de la comunidad científica respire mejor y el ecosistema científico funcione.

Ventajas de la computadora cuantica

En los años 80, los físicos Feynman, Benioff y Deutsch concibieron una máquina que aprovecharía los fenómenos cuánticos para aumentar la capacidad de procesamiento de una computadora. Si una partícula puede estar en dos estados al mismo tiempo –una de las premisas de la física cuántica– se la puede utilizar para codificar dos datos a la vez; cuando se trata de computadoras binarias, en 0 y 1. Si un qbit (un átomo de información) puede estar en dos estados al mismo tiempo, dos pueden representar cuatro estados también al mismo tiempo (00, 01, 11, 10), tres qbits pueden representar ocho y así sucesivamente. La idea básica es utilizar dos estados cuánticos de algún objeto para representar la información. Las computadoras convencionales utilizan en el almacenamiento de la información un enorme número de partículas (casi cien mil millones de átomos son modificados para escribir un 0 o un 1 en un disco magnético ordinario). Las computadoras cuánticas –al usar un único átomo por cada bit–, tendrán una enorme ventaja comparativa ya que se conjuga la posibilidad de ocupar poco espacio y aprovechar las características de los qbits de representar dos estados al mismo tiempo