Nanotecnología

Uno de los principales problemas de la computación cuántica son las grandes dificultades técnicas, son necesarias grandes cantidades de qubits para cualquier cálculo que implica la corrección de errores; para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño capaz de manejar un número lo bastante alto de qubits para resolver problemas interesantes. Además hay que tener en cuenta el fenómeno de decoherencia: la superposición cuántica (capacidad de existir un qubit en dos universos paralelos) es difícil de obtener y mantener ya que cualquier interacción con el exterior obligará al qubit a adoptar un valor definido.

Otro problema es que no se ha encontrado el hardware ideal para tales computadoras cuánticas; simplemente se han definido una serie de condiciones que debe cumplir, por ejemplo, el sistema debe ser escalable ya que cuanto mayor sea el problema, mayor número de qubits debe tener; también debe de seguir una coherencia cuántica…

En cuanto a las ventajas, no necesariamente el computador cuántico hará mejor las cosas que las computadoras actuales, por ejemplo, las computadoras actuales son muy buenas para multiplicar grandes números, sin embargo para realizar operaciones repetitivas las computadoras cuánticas pueden hacer uso del cómputo en paralelo: la factorización de grandes números, la búsqueda en bases de datos.

Estudios recientes nos hablan de los nanotubos de carbono de pared sencilla (SWCNT), que resultan interesantes en este tema ya que se vuelven metálicos y semiconductores en función de cómo se enrollen y se podrían aplicar a varios dispositivos, como transistores de efecto campo ultrapequeños, dispositivos de un solo electrón, dispositivos de informática cuántica y dispositivos emisores de luz.

Un grupo de investigación del Instituto Japonés de Investigaciones Físicas y Químicas ha realizado amplios esfuerzos experimentales para aplicar los SWCNT a dispositivos de un solo electrón y dispositivos de informática cuántica (qubit) con un solo punto cuántico como estructura básica.         

La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la clásica. Es una de las áreas más estudiadas en la investigación y que probablemente revolucione más nuestra vida actual, este área aprovecha las propiedades del mundo cuántico para aumentar la eficacia y eficiencia de los ordenadores, en cuanto a computación se refiere; en cuanto se consiguiera realizar el computador cuántico, todos los sistemas de seguridad informática actuales quedarían obsoletos ya que estas nuevas computadoras serían muy seguras debido a sus propiedades cuánticas. La computación cuántica no solo mejorará la seguridad de la información, sino que el tamaño de los ordenadores será muchísimo menor al del actual, se podrían resolver una cantidad mayor de problemas nuevos gracias a una mayor capacidad de computación. Aunque todo esto todavía queda un poco lejos dadas las dificultades técnicas .

¿Qué significa esto? Se refiere a los fenómenos que tendrá que enfrentar la tecnología de las computadoras cuando el tamaño de sus componentes (transistores, circuitos, etc.) rebase un límite inferior determinado, para el que las leyes de la física son fundamentalmente diferentes a las que se aplican en el mundo macroscópico.

Aproximadamente cada dos años, la velocidad y la capacidad de almacenamiento de las computadoras se han venido duplicando; esto ha venido acompañado de una miniaturización del componente fundamental del hardware: el transistor. Actualmente por ejemplo, IBM puede fabricar chips (circuitos integrados de la computadora) de un cuarto de micrón (un micrón es una millonésima de metro), conteniendo cerca de 200 millones de transistores.

Una de las áreas más punteras en la investigación y que probablemente revolucione más nuestra vida actual tal y como la conocemos hoy por hoy dentro del área de la nanotecnología es la Computación Cuántica, esta disciplina va a aprovechar las propiedades del mundo cuántico para aumentar la eficacia y la eficiencia de los ordenadores (en cuanto a computación se refiere), hoy por hoy los protocolos de seguridad de la información digital se aprovechan de la facilidad que tienen las computadoras actuales para realizar multiplicaciones y dificultad para realizar factorizaciones , por eso en cuanto se consiguiera realizar el computador cuántico todos los sistemas de seguridad informática actuales quedarían obsoletos, pero esto no significa el fin de la seguridad en la informática, gracias a las propiedades cuánticas de estos nuevos computadores serían completamente seguros, la Computación Cuántica consiste en la transmisión de estados cuánticos y el entrelazamiento cuántico, ambos fenómenos cuánticos permiten que la comunicación cuántica sea posible (en teoría se puede), en la jornada de nanotecnología del día 26 de Abril, el Premio Príncipe de Asturias del 2006, el Doctor Juan Ignacio Cirac nos comunicó que en la actualidad se han conseguido hacer sistemas cuánticos simples con los que se han realizado operaciones matemáticas simples y con los que se ha conseguido transmisión de información a distancias considerables; lo cuál da una alentadora esperanza de que estos dispositivos se lleguen a fabricar algún día.
La Computación Cuántica no solo mejorará la seguridad de la información, sino que el tamaño de los ordenadores será muchísimo menor al del actual, se podrían resolver una cantidad mayor de problemas nuevos gracias a una mayor capacidad de computación. Aunque todo esto queda un poco lejos dadas las dificultades técnicas, se ha conseguido hacer trampas de iones de unos cuantos átomos en los que se han almacenado unos cuantos qubits (un qubit es la extensión cuántica de un bit, es decir en una computadora tradicional, el código es binario, 0 ó 1, pero dado el carácter cuántico de los átomos, además de los estados 0 y 1 de un átomo existirían estados mezcla, es decir una superposición de los estados 0 y 1), se está trabajando en el campo de los semiconductores para conseguir meter más iones en las trampas cuánticas. Leer más »

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. Leer más »

Los puntos cuánticos son estructuras  denominadas 0-D ya que todas sus dimensiones están a escala nanométrica. . El tamaño de dicha estructura juega un papel crucial, ya que es el que determina los niveles de energía y por tanto la longitud de onda de la emisión de dichos niveles cuando se produce una recombinación a través de dichos niveles.. Los puntos cuánticos de mayor tamaño emiten luz con una longitud de onda grande correspondiente al rojo, mientras que los puntos cuánticos de menor tamaño emiten luz ultravioleta, de menor longitud debido a los efectos de confinamiento cuántico. Las posibles aplicaciones del desarrollo de estas estructuras han hecho que muchas empresas se interesen en ellas y en su explotación, un claro ejemplo es la empresa Invitrogen que controla un gran número de patentes de puntos. Para el 2009 se prevé que el mercado global supere los 400 millones de euros.

¿De qué están hechos los puntos cuánticos? En principio cualquier átomo en solitario podría ser perfectamente un punto cuántico. Sin embargo, con los medios actuales no se puede trabajar con átomos individualmente a escala industrial; fundamentalmente se trabaja con estructuras de GaAs, AlGaAs, cadmio, selenio y zinc, si bien en el primer punto cuántico se utlizó carbono y el desarrollo de éstos todavía sigue vigente. Suelen presentar un diámetro de entre 5 y 10 nanometros, mientras que una célula biológica normal tiene alrededor de unos mil; precisamente es este pequeño tamaño el que confiere a estos puntos unas propiedades ópticas y cuánticas especiales. La nanoestructura se comporta como un átomo “artificial” en el que los electrones pasan a formar parte de toda la estructura, Los puntos cuánticos pueden encontrarse embebidos en una matriz o también disueltos. Un ejemplo de puntos cuánticos embebidos en una matriz serían los que se encuentran en el papel monetario, son invisibles a simple vista pero si se les aplica radiación ultravioleta en un detector de billetes falsos se observan claramente. También los podemos encontrar en los diodos láser de los lectores CD y DVD, con lo cual podemos ver que ya sson muy habituales ya en nuestros días

Se han postulado un gran número de aplicaciones para este tipo de estructuras, Leer más »