Puntos cuánticos y computación cuántica
En el desarrollo de la nanociencia es primordial la creación y evolución de las técnicas de nanoestructuración, este desarrollo ha hecho posible la síntesis de nanoestructuras bidimensionales y unidimensionales que confinan electrones en planos y en líneas respectivamente. Más aun, se sintetizan nanoestructuras que confinan electrones en puntos matemáticos llamando a éstos puntos cuánticos (quantum dots).Un punto cuántico es cualquier nanoestructura que confine en las tres dimensiones el movimiento del electrón. En estas circunstancias la descripción del electrón debe ser desde la teoría cuántica. Actualmente los puntos cuánticos están hechos de nanocristales semiconductores de entre 2 y 10 nanómetros de ancho. Para que haya confinamiento los puntos cuánticos deben de tener un tamaño comparable al radio del excitón de Bohr, que es del orden de 10 nm en la mayoría de los semiconductores.
Este confinamiento de los electrones en una región suficientemente pequeña da lugar a que pasemos de tener bandas a tener niveles cuánticos de energía separados y cuya separación dependerá en forma inversa del tamaño del punto cuántico. Los puntos cuánticos contienen solamente unos pocos miles de átomos y son capaces de emitir y absorber luz a longitudes de onda determinadas por la energía de los niveles en el punto y no por la energía de la banda prohibida del material. Como la separación de los niveles depende del tamaño del punto cuántico y la luz emitida es debido a las transiciones entre estos niveles, entonces se puede controlar la longitud de onda de la luz que se emite con el tamaño de los puntos cuánticos.
Debido a sus propiedades ópticas y su tamaño nanométrico se han llevado a cabo estudios e investigaciones para utilizarlos en construcciones a nanoescala en aplicaciones computacionales donde la luz es utilizada para procesar la información. Una de estas propuestas es su posible utilización en el desarrollo de los computadores cuánticos.
El computador cuántico se basa en que los estados cuánticos de los electrones se pueden usar como bits (qbits) para codificar la información. Este computador tendría una altísima velocidad de procesamiento debido a que los electrones pueden estar en varios estados cuánticos al mismo tiempo, pudiendo combinar varios en un grupo y así realizar 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. La propuesta consiste en utilizar los electrones confinados de puntos cuánticos como qbits y utilizar fotones que podrían leer y cambiar los estados cuánticos de los electrones (los puntos cuánticos deben estar colocados en estructuras regulares).
Científicos de la Universidad de Ohio han demostrado cómo la energía de la luz, al brillar sobre los puntos cuánticos, provoca que transfieran energía en un modo "coherente". Descubrieron que cuando los puntos (de 5 nm) eran dispuestos a una cierta distancia mayor que el propio radio de los puntos, las ondas de luz viajaban entre los nanocristales siguiendo un patrón consistente. En anteriores investigaciones, las ondas de luz cambiaban o se hacían irregulares durante el intercambio de energía y esto creaba una ruptura en la comunicación entre los puntos cuánticos. Estos resultados sugieren que podría haber una forma de transmitir información empleando ondas de luz, abriendo el camino para una posible computadora óptica cuántica.
Tags: aplicaciones computacionales, computación cuántica, computadora óptica cuántica, emisión y absorción de luz, excitón de Bohr, nanocristales semiconductores, nanoestructuras, ondas de luz, ordenadores cuánticos, puntos cuánticos, quantum dots
Sindicación
2007-04-13 a las 5.14 pm
Cada día más cerca de los computadores cuánticos.
De hecho ya existen pequeños modelos con un potencial impresionante y se trabaja denodadamente en el desarrollo de nuevos modelos más avanzados. Como comentamos ya en el blog, el primero fue presentado por una firma canadiense (D-Wave) ante el escepticismo de los presentes, pero esto es sólo el comienzo de una revolución tecnológica sin precedentes.
Podéis encontrar un artículo al respecto en:
http://es.theinquirer.net/2007/02/14/el_primer_computador_cuantico.html
Por otra parte, son muchas las posibles aplicaciones que se están estudiando para los puntos cuánticos. Ya en 2005, aparecía una noticia en la prestigiosa “Journal of the American Chemical Society” (http://pubs.acs.org/)que trataba de su posible aplicación como “las bombillas del futuro”. Para los interesados deciros que aparece en el número del 18 de octubre de la publicación online.
Aquí tenéis el enlace a un artículo centrado en esta interesantísima línea de investigación seguida por un grupo de investigadores de la Universidad de Vanderbilt: http://www.vanderbilt.edu/news/releases?id=22603
Estos científicos habrían dado con una forma de hacer que los puntos cuánticos emitieran luz blanca en un amplio espectro de manera espontánea. El desarrollo de los puntos cuánticos en este sentido nos llevaría así a hacer de la producción de luz un proceso químico primario tal que pudiéramos convertir cualquier objeto en una fuente lumínica, simplemente recubriendo éste con material luminiscente, como es el caso de los LEDs.
Por otra parte, estos “quantum dots” ya eran reconocidos por su posibilidad de crear una docena de colores distintos por variación del tamaño de nanocristales(éstos pueden cambiar la longitud de onda de la luz, como podéis leer en http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/diccionario/nanocristal.htm), y por ello su adaptación al etiqueta fluorescente de aplicaciones biomédicas.
Así que…nos encontramos ante otra fuente de maravillas por desvelar.
2007-04-24 a las 11.02 am
Resulta complicado para unos \’físicos clásicos\’ como hemos sido hasta ahora entender como todas las partículas cumplen el Principio de Incertidumbre de Heisenberg ( ver : hhtP://www.astromia.com/biografias(heisenberg.htm )
Tengo que ´resaltar , como decía mi profesor de Mecánica Cuántica , que , el primer gran cuántico fue Albert Einstein ( cosa que muchos no comparten ) .Os aconsejo que investriguéis más en : hhtp://www.astromia.com/biografias/heisenber.htm ) . Al pobre Einstein se le reconoce como un gran clásico, pero no como un gran cuántico…y es, para mí, el padre de toda esta nueva revolución.
Ver tanbién : http://www.albanet.com.mx/articulos/concuant.htm )
2007-05-05 a las 7.17 pm
Enteder el mundo desde el punto de vista de la física cuántica es algo, por lo menos a mi modo de ver, muy complicado. Esto es debido a que los resultados de la mecánica cuántica no son observables a gran escala. Actualmente no sólo se quiere entender sistemas de dimensiones nanométricas, sino utilizarlos en el mundo macroscópico, como, por ejemplo, en la transmisión de la información y, en particular, en computación cuántica.
De hecho, se pueden utilizar las leyes de la mecánica cuántica para hacer nuevos algoritmos y resolver problemas de una manera mucho más eficiente. Por ejemplo, cosas que con un ordenador clásico no son posibles, como la factorización de un número de 500 dígitos, serían tan fáciles de hacer como lo son las multiplicaciones de dos números de tantos dígitos como quisiésemos en un ordenador clásico. También los ordenadores cuánticos serían especialmente útiles para la búsqueda de datos no ordenados, esto es, si nos dan una lista de números telefónicos y tenemos que buscar a qué persona corresponden.
Todo esto resulta fascinante, pero ¿realmente necesitamos ordenadores cuánticos? Lo cierto es que sí y es consecuencia de la miniaurización de los dispositivos electrónicos según predice la ley de Moore: necesitamos almacenar mucha información en un espacio pequeño y, además, queremos que ésta se transmita lo más rápido posible.
Por ello, la investigación en computación cuántica ha crecido exponencialmente: existe un esfuerzo mundial en su desarrollo. Los países líderes en financiación de proyectos destinados a los avances en este área son Estados Unidos, seguido de Canadá y Japón, aunque no podemos despreciar el trabajo de muchos científicos europeos y, en concreto, españoles que están llevando a cabo en la actualidad.
El único problema que plantea esta nueva técnica es que hay que controlar muchos fotones y es algo difícil. No obstante, llegará un momento en el que la computación cuántica reemplazará a la clásica, ya que la primera incluye a la segunda y la mejora.
http://www.albanet.com.mx/articulos/cuantico.htm
http://diariodeunjabali.com/archivos/categorias/ciencia/entrevista_con_ignacio_cirac.html
http://www.mpq.mpg.de/cirac/contact.html