Los ordenadores cuánticos, que funcionan según las extrañas reglas de la mecánica cuántica, podrían algún día revolucionar el mundo. Una vez que logremos construir una máquina potente y funcional, podrá resolver algunos problemas que los ordenadores actuales tardan millones de años en calcular.
Los ordenadores utilizan bits (0 o 1) para codificar información. Los ordenadores cuánticos utilizan «cúbits», que pueden adoptar cualquier valor entre cero y uno, lo que les confiere una enorme capacidad de procesamiento. Pero los sistemas cuánticos son notoriamente frágiles y, aunque se han logrado avances en la construcción de máquinas operativas para algunas aplicaciones propuestas, la tarea sigue siendo difícil. Pero un nuevo enfoque, denominado espintrónica molecular, ofrece nuevas esperanzas.
En 1997, los físicos teóricos Daniel Loss y David DiVincenzo establecieron el conjunto general de reglas necesarias para crear un ordenador cuántico. Mientras que los dispositivos electrónicos convencionales utilizan la carga eléctrica para representar la información en forma de ceros y unos, los ordenadores cuánticos suelen utilizar los estados de «espín» de los electrones para representar los cúbits.
El espín es una magnitud fundamental que hemos conocido a través de la mecánica cuántica. Desafortunadamente, carece de un equivalente preciso en la experiencia cotidiana, aunque a veces se recurre a la analogía de un planeta que gira sobre su propio eje.
Sabemos que los electrones giran en dos direcciones diferentes o «estados» (denominados arriba y abajo). Según la mecánica cuántica, cada electrón de un material gira en una combinación (superposición) de estos estados: una determinada parte hacia arriba y una determinada parte hacia abajo. Así es como se pueden obtener tantos valores en lugar de solo 0 o 1.
Entre los cinco requisitos para construir un ordenador cuántico desarrollados por Loss y DiVincenzo se incluía la posibilidad de escalar el sistema. Más cúbits significan más potencia. Otro era que la información sobreviviera durante periodos razonables una vez codificada, mientras que otros se referían a la inicialización, la manipulación y la lectura del sistema físico.
Aunque concebida originalmente para un ordenador cuántico basado en espines de electrones en diminutas partículas de semiconductores, la propuesta se ha implementado ahora en numerosos sistemas físicos, entre ellos iones atrapados, superconductores y diamantes.
Sin embargo, desafortunadamente, estos requieren un vacío casi perfecto, temperaturas extremadamente bajas y la ausencia total de perturbaciones para funcionar. Además, son difíciles de escalar.
Espintrónica molecular
La espintrónica es una forma de electrónica basada en el espín y no en la carga. El espín puede medirse porque genera campos magnéticos diminutos. Esta tecnología, que a menudo utiliza semiconductores para manipular y medir el espín, ya ha tenido un enorme impacto en la mejora del almacenamiento de información en los discos duros.
Actualmente, los científicos están comprendiendo que la espintrónica también puede realizarse en moléculas orgánicas que contienen anillos de átomos de carbono. Y esto la conecta con otro campo de investigación denominado electrónica molecular, que pretende construir dispositivos electrónicos a partir de moléculas individuales y películas de moléculas.
La combinación ha demostrado ser útil. Al controlar y manipular cuidadosamente el espín de un electrón dentro de una molécula, resulta que en realidad podemos llevar a cabo cálculos cuánticos. La preparación y la lectura del estado de espín del electrón en las moléculas se realizan sometiéndolas a campos eléctricos o magnéticos.
Las moléculas orgánicas a base de carbono y los semiconductores poliméricos también cumplen los criterios de ser fáciles de escalar. Lo consiguen gracias a su capacidad de formar entramados moleculares, dentro de los cuales los cúbits moleculares se sitúan muy cerca unos de otros. El pequeño tamaño de una sola molécula favorece automáticamente que se puedan agrupar grandes cantidades de ellas en un chip reducido.
Además, los materiales orgánicos perturban los espines cuánticos menos que otros materiales electrónicos. Esto se debe a que están compuestos por elementos relativamente ligeros, como el carbono y el hidrógeno, lo que da lugar a interacciones más débiles con los electrones en rotación. Esto evita que sus espines cambien fácilmente de estado, lo que permite conservarlos durante largos periodos de hasta varios microsegundos.
En una molécula con forma de hélice, esta duración puede llegar incluso a un milisegundo. Estos tiempos relativamente largos son suficientes para realizar operaciones, otra gran ventaja.
Retos pendientes
Pero aún nos queda mucho por aprender. Además de comprender qué causa los tiempos de vida prolongados del espín en las moléculas orgánicas, es necesario conocer hasta qué distancia pueden desplazarse estos espines dentro de los circuitos orgánicos para construir circuitos electrónicos eficientes basados en espín. La siguiente figura muestra algunos de nuestros conceptos para dispositivos espintrónicos orgánicos exploratorios orientados a este objetivo.
Además, existen grandes desafíos para lograr que estos dispositivos funcionen de manera eficiente. Los electrones cargados que transportan espines en un material orgánico saltan constantemente de una molécula a otra mientras se desplazan. Desafortunadamente, esta actividad de salto es una fuente de ruido eléctrico, lo que dificulta la medición eléctrica de las pequeñas señales de corriente de espín mediante arquitecturas convencionales. No obstante, una técnica relativamente nueva conocida como bombeo de espín podría resultar adecuada para generar corrientes de espín con bajo ruido en materiales orgánicos.
Otro problema al tratar de convertir las moléculas orgánicas en candidatas serias para las tecnologías cuánticas del futuro es la capacidad de controlar y medir de forma coherente los espines en moléculas individuales o en un pequeño número de moléculas. Este gran reto está experimentando actualmente un enorme progreso. Por ejemplo, un programa sencillo para un ordenador cuántico conocido como «algoritmo de búsqueda de Grover» se ha implementado recientemente en una única molécula magnética. Se sabe que este algoritmo reduce significativamente el tiempo necesario para realizar una búsqueda en una base de datos no ordenada.
En otro informe, un conjunto de moléculas se integró con éxito en un dispositivo superconductor híbrido. Esto proporcionó una prueba de concepto en la combinación de cúbits de espín molecular con arquitecturas cuánticas existentes.
Queda mucho por hacer, pero en el estado actual de la cuestión, los sistemas de espín molecular están encontrando rápidamente varias aplicaciones nuevas en las tecnologías cuánticas. Gracias a su pequeño tamaño y a sus espines de larga duración, es solo cuestión de tiempo que consoliden su lugar en la hoja de ruta de las tecnologías cuánticas.
