La nanotecnología en comunicaciones e informática constituye un marco de trabajo especialmente activo dadas las enormes expectativas que está levantando su gran potencial. Firmas como HP, Toshiba, NEC, IBM, Lucent o Motorola están destinando importantes presupuestos a este campo de la investigación.
La computación cuántica, los autómatas celulares basados en dots cuánticos y la computación basada en el ADN son algunas de las áreas de la informática en las que la nanotecnología aparece como la base conceptual que posibilita estos desarrollos. En la industria de las redes, la nanotecnología surge como el paso siguiente a la fotónica, debido a las expectativas que está generando tanto en lo que se refiere a emisores y fotodetectores como a conmutadores. También es de destacar el inmenso futuro que la nanotecnología tiene en el campo concreto del software, donde cobra una importancia especial en aplicaciones de modelización y simulación. En un sentido amplio, por nanotecnología se entiende la tecnología basada en la manipulación de la materia en la escala dimensional del nanómetro o, lo que es lo mismo, en la escala u orden de magnitud de la milésima de micra. De hecho, permite trabajar con dimensiones inferiores a mil nanómetros, lo que conlleva la manipulación de la materia a nivel atómico o molecular. Dado que este nuevo tipo de tecnología presenta una amplia variedad de aplicaciones potenciales, especialmente en la electrónica, es razonable pensar que su impacto en los futuros sistemas informáticos y de comunicaciones podría ser realmente espectacular.
Nanoelectrónica avanzada
Dentro del marco interdisciplinar global de referencia que ofrece la Física, capaz de analizar la materia a escala atómica y molecular, si desde hace tiempo la microelectrónica trabaja en la progresiva miniaturización de los dispositivos electrónicos, ahora la nanoelectrónica se mueve con dimensiones mil veces más reducidas que antes. La nanoelectrónica se puede considerar dentro de la tendencia general hacia la miniaturización iniciada con la introducción de los semiconductores en el campo de la electrónica, tendencia que cada vez se muestra más crucial para el desarrollo de los sistemas de comunicaciones y ordenadores. En este contexto, cabe citar tecnologías como, por ejemplo, CMOS, VLSI (Very Large Scale Integration) y ULSI (Ultra Large Scale Integration).A medida que el tamaño de los dispositivos microelectrónicos disminuye y la industria entra en el campo de acción de la nanoelectrónica, dejan de ser aplicables los principios de la física clásica para entrar en escena los efectos de física cuántica. De hecho, los límites físicos impuestos por el proceso de miniaturización de los dispositivos electrónicos están determinados por efectos cuánticos. Aquí cabe considerar varias nanoestructuras básicas en las cuales los efectos cuánticos juegan un papel central, al menos en lo que se refiere a la conducción eléctrica (transporte electrónico): pozos cuánticos, nanotubos de carbono y los llamados nanodots (estructuras cuasi puntuales).
Otro aspecto fundamental de la nanotecnología es su relación con la llamada computación cuántica. Este tipo de computación se basa en la noción de estado ocupado por una partícula cuyo movimiento se rige por las leyes de la mecánica cuántica, de forma que los bits de información adoptan una correspondencia con los estados cuánticos de acuerdo con la lógica binaria. Su potencial teórico es tal que, si realmente los ordenadores cuánticos acaban siendo los ordenadores del futuro, se alcanzarán velocidades de acción increíbles.
Impacto en las comunicaciones
La incidencia de la nanotecnología en el campo de las comunicaciones y, generalizando, en el campo de las tecnologías de la información, podrá ser realmente notoria en un futuro más bien cercano. Sus aplicaciones potenciales abarcan desde el radar digital, receptores de medidas electrónicas de apoyo, procesado de datos ATM y las comunicaciones de banda ancha al procesado digital de imágenes, generación de formas de onda, aplicaciones de conversión analógica/digital y digital/analógica, y las comunicaciones por fibra óptica.En buena medida, estas aplicaciones potenciales son consecuencia de la implementación, a nivel de laboratorio, de diferentes dispositivos nanoelectrónicos como transistores de efecto de campo, diodos láser avanzados (como, por ejemplo, VCSEL) para redes troncales de comunicaciones ópticas o nano-uniones para microondas, entre otros. Se trata de avanzar en la reducción progresiva del tamaño de la circuitería al tiempo que se consiguen cada vez mayores velocidades de proceso, por lo que los sistemas nanoelectrónicos resultan idóneos para la consecución de elevados anchos de banda. Una de las áreas donde la nanotecnología tiene mayor impacto es la de comunicaciones por fibra óptica, en cuya espectacular evolución viene jugando un papel vital. En este campo de aplicación hay que destacar la existencia de troncales de fibra monomodo con velocidades de transmisión mil veces mayores que las velocidades de los sistemas de hace 20 años basados en diodo láser de arseniuro de galio y fibra multimodo. Este notorio avance ha sido posible gracias a los logros de la nanotecnología fundamentalmente en el desarrollo del diodo láser de pozo cuántico múltiple basado en la tecnología de fosfuro de indio, que funciona en monomodo longitudinal y que posee buenas características térmicas. También ha sido crucial el descubrimiento del amplificador de fibra dopada con erbio y el empleo de redes de difracción de fibra en escala nanométrica para proporcionar amplificación uniforme sobre una fracción considerable de la ventana óptica de fibra de bajas pérdidas. Además, cabe señalar el hecho de que las estructuras de nanodot cuántico pueden actuar como conmutadores totalmente ópticos ultra rápidos.
Impacto en la informática
En el campo de la informática, dispositivos nanoelectrónicos de alta velocidad darán lugar a nuevas arquitecturas de procesamiento de la información. En este marco de referencia, podemos mencionar la computación cuántica, los autómatas celulares basados en nanodots cuánticos, la electrónica molecular y la computación basada en cadenas biológicas de ADN. Estas nuevas arquitecturas darán lugar a cambios radicales en los problemas hasta ahora asociados a la tecnología de la información. Otras estructuras de gran interés en el área de la informática son los discos magnéticos cuantizados (discos basados en efecto magnético cuántico), los sistemas fotónicos (los cuales permitirán comunicaciones ópticas eficientes), los sistemas nano-mecánicos y una gran variedad de dispositivos y estructuras relacionados con sistemas en interacción asociados a objetos tanto biológicos como no biológicos. Concretamente, a partir de ciertos objetos es posible la obtención de sistemas de interacción.En lo relativo al registro magnético en disco duro, hay que destacar las estructuras basadas en el llamado efecto magneto-resistivo gigante. Estas estructuras pueden actuar como sensores extremadamente sensibles de campos magnéticos; en otras palabras, el nivel de detección de cualquier campo magnético es muy elevado. Las estructuras en cuestión consisten en capas de láminas metálicas magnéticas y no magnéticas; las capas críticas poseen espesores comprendidos en el margen de los nanómetros. Por otro lado, el transporte de electrones con polarización de spin que tiene lugar entre las capas magnéticas en la escala nanométrica de longitudes da lugar a la capacidad de las estructuras para la detección de campos magnéticos tal como sucede con los bits magnéticos almacenados en disco de ordenador. Este hecho es de gran relevancia en el contexto de la industria de almacenamiento magnético en disco duro. Este tipo de almacenamiento está basado en la variación de la resistencia eléctrica de ciertos materiales cuando están sometidos a la acción de campos magnéticos; se trata del efecto magneto-resistivo cuyo mayor exponente es el efecto magneto-resistivo gigante al que nos hemos referido anteriormente.
Electrónica molecular
Dentro de la evolución de la tecnología de ordenadores, es fundamental la incidencia de la llamada electrónica molecular. La electrónica molecular se refiere a las moléculas consideradas como dispositivos electrónicos cuánticos diseñados y sintetizados por medio de procesos químicos; una vez efectuada la síntesis de tales moléculas, se realiza su ensamblaje en circuitos por medio de procesos de auto organización y auto alineamiento. La meta crucial que debe alcanzar la electrónica molecular en un futuro más o menos cercano es la utilización de las moléculas ( típicamente moléculas orgánicas) como conmutadores electrónicos y el empleo de los nanotubos de carbono como cables en los circuitos. Si se consigue esta meta, se espera la consecución de memorias de ordenador no volátiles con un millón de veces la densidad superficial de bits de las memorias DRAM actuales y con una eficiencia de potencia mil millones de veces mayor que la de los circuitos CMOS convencionales. En definitiva, la electrónica molecular se puede considerar como un avanzado punto de referencia a la hora de evaluar las posibilidades de la nanotecnología en el ámbito de la electrónica digital y de los ordenadores. El hecho de que la reducción del tamaño de los dispositivos electrónicos puede continuar con su ritmo exponencial actual implica que llegarán aproximarse a las dimensiones de las moléculas dentro de unas pocas décadas.
Fundamentos de la computación cuántica
Las tecnologías de la información y las comunicaciones se basan en los bits, que se corresponden con determinados estados físicos concretos; basta recordar el concepto básico de conmutador, en términos de circuito abierto (un estado) y circuito cerrado (otro estado). Lo que se ha buscado siempre es implementar sistemas capaces de pasar de un estado estable a otro a velocidades extremadamente elevadas; estos sistemas se han implementado tradicionalmente mediante tecnología electrónica, basada a su vez en tecnología de semiconductores, germanio, silicio y, más recientemente, semiconductores compuestos como arseniuro de galio. En los inicios de las tecnologías de la información, los estados estables se conseguían mediante válvulas de vacío (los antecesores de los semiconductores), que ocupaban un espacio realmente considerable, de forma que los ordenadores llegaban a pesar hasta 30 toneladas, como la máquina ENIAC y de Von Neumann de los años 40. Hubo además otros nombres emblemáticos como Charles Babbage o Turing, que se inscriben en el marco histórico que generó una nueva materia conocida como matemática discreta y cuyos antecedentes se sitúan en la lógica matemática.
En términos generales, esta nueva disciplina puede considerarse como el marco teórico de las tecnologías que conllevan en alguna forma la "discretización", o sea, que trabajan con sistemas discretos, que pueden tomar solo determinados valores.Los avances en tecnología electrónica han conseguido grandes velocidades de computación y dispositivos extremadamente pequeños, gracias a los avances en la tecnología electrónica como, fundamentalmente, la tecnología de semiconductores y la de software. Sin embargo, la concepción genérica no ha cambiado: sigue basándose en dos estados que generan los bién conocidos 0 y 1, los bits de información. Los sistemas siguen basados en las leyes de la llamada física clásica, la física que contempla los fenómenos de la naturaleza desde una perspectiva macroscópica. Bajo los principios de la física cuántica. Como su nombre indica, la computación cuántica se basa en sistemas físicos que no siguen las leyes de la mecánica clásica, sino las leyes de la mecánica cuántica. Pero, considerando la situación del estado del arte de esta tecnología, incluso los más optimistas ven la disponibilidad comercial de ordenadores cuánticos como algo muy lejano. Lo único que aparece más cercano en el tiempo, según los investigadores, es la aparición, dentro de dos años aproximadamente, de prototipos de 10 bits, cifra que se irá ampliando progresivamente apartir de entonces. Donde la utilidad práctica de este planteamiento cuántico aparece de una manera más inmediata es en campos como la criptografía o la simulación. En el primero, concretamente, se trabaja en la obtención de métodos avanzados de codificación y manipulación de la información.
La aportación de la cuántica a la criptografía, que se remonta a los trabajos pioneros de Bennet, Brassard y Wiesner en la década de los 70, consiste básicamente en la casi imposibilidad de interceptar un canal de información, ya que cualquier intervención, por extremadamente débil que sea, altera el estado cuántico de la "comunicación" de una forma prácticamente inevitable, con lo cual desde un punto de vista teórico, se podría detectar cualquier tipo de interferencia.Cambio de modelo de computación. La cuántica cambia el paradigma teórico de computación: la codificación de la información en bits cuánticos, conocidos como qubits (quantum bits), se basa en que a un qubit le corresponde tanto un 0 como un 1 simultáneamente, en lugar del esquema clásico en que se almacena o bien un 0 o bien un 1. Así, en un registro de 64 qubits se pueden llegar a almacenar hasta 2 elevado a 64 valores a la vez y además se pueden realizar cálculos con todos estos valores también a la vez. Es fácil observar que este planteamiento conduce de una manera directa y natural a una concepción de paralelismo masivo, no sólo porque aumenta enormemente el nivel de paralelismo que se puede obtener sino que, al mismo tiempo, se reduce, también enormemente, el tamaño del hardware; con los esquemas electrónicos el aumento en capacidad de paralelismo conlleva un aumento importante del tamaño del hardware.La cuántica se basa en una concepción estadística y explica perfectamente la fenomenología de los sistemas físicos; de ahí el éxito que ha tenido la mecánica cuántica para explicar el entorno microscópico. Sin embargo, Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen pusieran reparos a la concepción estadística en un contexto ondulatorio y, en consecuencia, formularon la teoría EPR (así llamada por las iniciales de sus creadores), basada en correlaciones/estados entre objetos/átomos enlazados (entangled) dos a dos de forma cuántica; a estos pares se les conoce como pares/estados EPR. Treinta años más tarde, John Bell, basándose en la teoría EPR estableció las bases de la computación cuántica en su estado actual.
La correlación, clave en la computación cuántica, se explica frecuentemente mediante la paradoja conocida como "Alice y Bob". Alice y Bob juegan lanzando "monedas" (que en realidad son partículas) al aire: al principio, el comportamiento de las "monedas" al ser lanzadas parece normal, siguiendo el principio de los resultados aleatorios (el bien conocido caso en estadística de lanzar monedas o dados). Sin embargo, tras un cierto tiempo, se observa que cada vez que en la caída de la moneda de Alice sale cara, sucede lo mismo con la moneda de Bob, y viceversa. Esta observación tiene lugar a pesar de que no existe ningún mecanismo de enlace físico o comunicación entre Alice y Bob y/o sus monedas (partículas). Así se explica la correlación en la cuántica EPR. Las correlaciones aparecen entre átomos/objetos individuales; de ellos se dice que están "enlazados/enzarzados" mediante mecanismos de mecánica cuántica.Los trabajos de laboratorio en este campo se inscriben básicamente en criptografía, en particular en la obtención de claves cuánticas distribuidas en fibra óptica. En el campo concreto del procesamiento cuántico se han publicado resultados acerca de dispositivos capaces de realizar cien funciones lógicas con dos qubits y diez funciones con siete qubits, este último basado en resonancia magnética nuclear. Se han publicado también trabajos en los que se afirma haber conseguido el entanglement en el laboratorio, concretamente en una trampa de iones enfriada (para estabilizarlos) mediante láser: cinco iones de calcio, que representan los qubits, quedan atrapados por electrodos; las transformaciones cuánticas de los iones se realizan mediante los láseres.
Publicado po:
Acuña Rey Andres Eduardo
C.R.F
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