Nanotecnología

Por Anahí Martínez  

Otra de las aplicaciones de la mecánica cuántica a la ingeniería sería convertir nuestros actuales ordenadores en 'ordenadores cuánticos', es decir, en ordenadores que utilizaran las propiedades cuánticas de electrones y átomos para realizar los cálculos. Actualmente es un tema de estudio y muy interesante, a la vez que complejo, pero no imposible.   Los ordenadores utilizan bits para codificar la información de modo que un bit puede tomar el valor cero o uno (o hay corriente en el circuito o no la hay). Por contra, los ordenadores cuánticos utilizan los denominados "qubits" (o bits cuánticos) para realizar esta tarea. Un "qubit" puede almacenar la información en el estado de un átomo o de un único electrón. Pero por las propiedades cuánticas de los átomos y de los propios electrones, hacen que el estado no tenga porque ser o cero o uno, sino que puede ser una mezcla de los dos estados a la vez. Esta posibilidad permite almacenar una mezcla de ambos valores a la vez en cada "qubit" pudiendo tratar mayor cantidad de información en un solo ciclo de computación.

   Gracias a estas propiedades los ordenadores cuánticos pueden tener una especial capacidad para resolver problemas que de otro modo necesitarían un elevado número de cálculos en un tiempo mucho más elevado, realizando la tarea en breves espacios de tiempo. Además, como estarán construidos con átomos o electrones, su tamaño será menor que microscópico consiguiendo un nivel de miniaturización impensable en los microprocesadores de silicio. Pero este tamaño está referido a la unidad mínima de proceso ya que hoy por hoy estos ordenadores cuánticos recuerdan a los antiguos ordenadores de los años 60.

   Ya se han establecido las bases para el diseño de la arquitectura de cómo debería ser un ordenador cuántico. Por desgracia, en la actualidad aún no se ha llegado a construir ordenadores cuánticos que utilicen más de unos cuantos "qubits" y el tamaño de éstos los hace inviables para un uso fuera del entorno de un laboratorio. Aún así, hay un gran número de centros de investigación trabajando tanto a nivel teórico como a nivel práctico en la construcción de ordenadores de este tipo y los avances son continuos. Como ejemplo, podemos citar a n grupo de científicos franceses que han conseguido la primera transmisión de sonido utilizando un ordenador cuántico. en la página web del mismo puede oirse la transmisión realizada. Entre los principales centros dedicados al desarrollo de los ordenadores cuánticos destacan los laboratorios del centro de investigación de Almaden de IBM , AT&T, Hewlett Packard en Palo Alto (California), el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y universidades de todo el mundo como la de Oxford, Standford, Berkeley, etcétera. El problema de estos ordenadores cuánticos es que hoy por hoy carecerían de disco para el almacenaje de la información procesada. Por desgracia, y aunque parezca que los ordenadores cuánticos puedan ser la panacea, éstos tienen sus limitaciones.

Por Anahí Martínez 

Para entender cómo ha surgido en este siglo la 'revolución nanotecnológica' , tenemos primero que entender sus orígenes.

Estos orígenes se descubrieron a través del 'experimento de la Doble Rendija'. Este aparentemente 'inofensivo' experimento , resultó ser el 'padre' de la Física Cuántica en un principio, y de la Mecánica Cuántica después.Explicaremos brevemente en qué consiste. El montaje experimental es muy sencillo : tenemos dos rendijas suficientemente pequeñas , por las que se hace que la atraviesen electrones , en un caso , o bien , ondas de agua , en otro. A la salida de la doble rendija , nos encontramos con una pantalla, en la que observaremos nuestros resultados. El experimento es bien distinto ( teniendo una mentalidad clásica ) en ambos casos, pero los resultados serán sorprendentes.
Cuando lo que estamos analizando son ondas de agua, el frente de ondas se divide en dos al pasar por la doble rendija, y ambos frentes de ondas nuevos interfieren entre sí. Lo que veremos en la pantalla es precisamente esto: la interferencia de estos dos frentes de onda.

El resultado sorprendente viene ahora : cuando , por otro lado, realizamos el mismo experimento pero utilizando electrones, en la pantalla obtenemos un patrón de interferencia similar al que habíamos obtenido en nuestro experimento con ondas. Al empezar a bombardear la rendija con electrones , al principio, en la pantalla, vemos que estos electrones van apareciendo uno a uno. Pero , transcurrido un tiempo y cuando ya los electrones que han llegado a la pantalla son suficientemente elevados en número, se puede observar un patrón de interferencia similar al que obteníamos con las ondas. También tenemos que destacar que , si cambiamos las condiciones de medida, es decir, colocamos , por ejemplo , una fuente luminosa intensa a la salida de la doble rendija, observamos que ya no aparece interferencia. 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 »