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Computación cuántica: de notebooks y agujeros negros

Un científico del MIT descubrió la forma de tener espacio de disco y memoria casi infinitos; pero al encenderla se produciría una catástrofe
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16 de octubre de 2000  

La ley de Moore, que sostiene que la potencia de las computadoras se duplica aproximadamente cada 18 meses, se parece, a veces, más a una maldición que a una bendición.

Pero la vigencia de esta ley no puede ser eterna, y el Dr. Seth Lloyd, profesor adjunto en la carrera de ingeniería mecánica del MIT (Massachusetts Institute of Technology), nos da esperanzas de que su fin está a la vista. En un trabajo reciente, el Dr. Lloyd describe la notebook definitiva, una computadora tan poderosa como las leyes de la física lo permiten. Tan potente es esta máquina imaginaria que el solo hecho de usarla desencadenaría una reacción termonuclear. En su versión más extrema, son tantos los circuitos que se imprimen en un lugar tan pequeño que todo colapsaría y formaría un diminuto agujero negro, un objeto tan denso que ni siquiera la luz puede escapar de su gravedad.

Si bien parece tratarse de una herramienta bastante peligrosa como para llevarla consigo ("Al abrirla -advierte el Dr. Lloyd- se anula la garantía") existe un propósito serio para esta hazaña teórica: descifrar los límites absolutos que establece la naturaleza en el campo de la informática. Nada similar a la superlaptop del Dr. Lloyd es probable que salga de la línea de montaje de alguna Apple o IBM futura.

Pero su esfuerzo parte de una disciplina relativamente nueva llamada física de la informática, que les da a los ingenieros en computación un objetivo por el cual bregar.

Sobre todo, este ejercicio en la ciencia de la computadora extrema podrá ayudar a ahondar en la comprensión de las relaciones que existen entre la física y la información, y explorar la noción, popular entre algunos teóricos, de que los mismos procesos de la naturaleza pueden ser tomados como cálculos.

"Una labor como ésta ejemplifica una nueva y fructífera convergencia de la física teórica, la informática y la matemática", expresó Gregory Chaitin, un investigador de IBM.

Y agrega: "Una investigación interdisciplinaria de este tipo hubiese sido impensable un par de años atrás".

La ley de Moore, que lleva el nombre de su inventor, Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel, sigue vigente debido a la habilidad con la que los ingenieros han podido grabar circuitos cada vez más pequeños en chips de silicio. Mientras más comprimidos están los componentes de estos circuitos, mayor es la velocidad con la que intercambian la información.

"El fracaso de la ley de Moore se viene anunciando desde su postulación a comienzos de la década del sesenta porque estaba a punto de agotarse parte de la tecnología de fabricación -aclaró el Dr. Lloyd-. "Pero la ley de Moore proviene del ingenio humano y no de la naturaleza. Por lo tanto, los pronósticos de su caducidad han sido erróneos, precisamente, porque la mente humana es ingeniosa."

Los elementos extremadamente diminutos que componen un chip funcionan como interruptores que pueden estar en dos posiciones, on (activado) u off (desactivado), que representan un bit de información, 1 o 0. Pese a lo minúsculos que puedan parecer, estos dispositivos, por lo general, están compuestos por mil millones de átomos. Pero los laboratorios ya están experimentando con computadoras en las que un bit se almacena en un solo átomo capaz de girar en el sentido de las agujas del reloj hasta llegar a 1, o en sentido contrario, hasta 0. ¿Y quién puede negar que algún día sea aún más pequeño, con partículas subatómicas como los quarks y los gluones, o incluso las supercuerdas hipotéticas que se utilizan para codificar y manipular información?

Pero, finalmente, deben prevalecer los límites que impone la naturaleza. Según el Dr Lloyd, "si creemos en las leyes de la física, entonces las constantes fundamentales de la naturaleza nos deberían indicar dónde tiene que terminar la ley de Moore, allá adonde no podamos miniaturizar más".

Lloyd abordó el problema desde el punto de vista de un consumidor que decide comprar una nueva notebook. "Cuando vamos a comprar una computadora -dice- hacemos dos preguntas básicas: qué velocidad tiene el procesador y cuántos megas de capacidad tiene el disco. Estos son los ingredientes que hacen a la potencia de una computadora. Lloyd supone que su laptop tendría más o menos las mismas dimensiones que una máquina contemporánea, pesaría un kilogramo, y ocuparía un dm3 de espacio.

En primer lugar, se propuso determinar la velocidad en la que esta superlaptop podría realizar cálculos. El factor limitante es la energía: cuanto más rápido trabaja una computadora, más voraz es su apetito. Entonces, ¿cuál sería la energía máxima posible que se dispone para una máquina portátil?

Las especulaciones sobre el futuro de la tecnología de las baterías podrían ser infinitas. Lloyd buscó una respuesta más elemental, partiendo de la teoría especial de Einstein sobre la relatividad.

Si cada partícula del kilogramo que conforma la masa de la laptop se convierte en energía según la ecuación E= mc2, la respuesta es 8,9874 x 1016 joules, o en términos más familiares, 25 millones de megawatt/hora, la cantidad de energía producida por todas las centrales nucleares del mundo en 72 horas.

"La máquina estaría canibalizando su propia masa para realizar sus operaciones", reflexiona Lloyd. Ningún ingeniero de Eveready o Duracell jamás pudo sacarle más el jugo a un trozo de materia.

Habría consideraciones prácticas y obvias para controlar (y calcular) lo que llevaría a la fusión termonuclear. (El Dr. Lloyd calculó que el "circuito" de la computadora podría consistir en electrones y positrones antimateria, distinguiéndose unos de otros mediante rayos gamma.) Pero los detalles son importantes. La ciencia de la supercomputadora no trata de lo probable, sino de lo posible. El resto puede quedar en manos de ingenieros.

El próximo paso consistía en determinar la velocidad máxima que podemos obtener a partir de esa energía, cuán rápido los pequeños interruptores pueden ir de 1 a 0, al llevar a cabo sus cálculos.

Aquí el Dr. Lloyd recurrió a la mecánica cuántica. Una de las reglas más extrañas que rigen el comportamiento de las partículas subatómicas es el principio de incertidumbre de Heisenberg, que, entre otras cosas, especifica una relación simple entre tiempo y energía. Para calcular la velocidad del cambio del interruptor, se multiplica pi por un número llamado la constante de Planck y se lo divide por dos veces la energía disponible. Si esto se aplica a la superlaptop, la respuesta es 5,4258 por 10 elevado a la potencia 1050 operaciones por segundo, alrededor de 10.000 billones de billones de billones de veces más veloz que la Pentium 4. Una computadora con esa velocidad jamás podría llegar a ser obsoleta, no en este universo.

Estos límites se mantendrían vigentes independientemente de los descubrimientos tecnológicos que se puedan dar. "No importa si calculamos con tubos de vacío o transistores o si usamos quarks y gluones o algo aún más exótico como las supercadenas", expresó Lloyd.

La relatividad y la mecánica cuántica marcan el límite de qué tan rápida puede ser una superlaptop.

Tampoco importa cómo la computadora esté diseñada. La energía puede usarse para alimentar un procesador extremadamente rápido o varios más lentos. En cualquiera de los dos casos, el número máximo de operaciones posibles por segundo es el mismo.

Una vez que estableció un límite máximo para la velocidad, Lloyd quiso ver la capacidad de memoria de la máquina; es decir, cuántos bits de información podría almacenar y manipularse a esas velocidades asombrosas. Cada átomo o incluso cada electrón podría utilizarse para registrar un 1 o un 0, según la dirección de giro. Pero para almacenar la cantidad máxima de información, los pequeños procesadores tendrían que estar libres para poder asumir todos los estados diferentes posibles. En energías intensas, la información podría estar codificada no sólo mediante el giro de una partícula, sino también por la velocidad y dirección en la ques se estuviese moviendo dentro de la máquina.

Según Lloyd, "para poder aprovechar al máximo el espacio de memoria disponible, la supernotebook deberá transformar toda su materia en energía".

"Un estado típico de la memoria de la superlaptop sería algo así como una explosión termonuclear, ¡o una pequeño trozo del Big Bang! De más está decir que con los problemas de embalaje bastaría para no poder llegar a este límite, aun dejando de lado las dificultades en cuanto a la estabilidad y el control."

Un objeto como éste, cargado con tanta energía, donde sus partículas alcanzaron su máxima libertad, podríamos decir que se encuentra en un estado de entropía máxima. Aunque se la considere comúnmente una medida de desorden -una laptop vaporizada es menos ordenada que otra a temperatura ambiente-, la entropía se halla también íntimamente relacionada con la información.

Cuanto mayor es la entropía de un objeto, mayor será el número de estados diferentes que sus partículas puedan asumir, y, por ende, mayor será la cantidad de información que pueda almacenar.

Para la superlaptop, la entropía máxima corresponde a una capacidad de información de alrededor de 2,13 por 10 elevado a la potencia 1031 (en bits), mil millones de billones de veces más que las laptops actuales.

Lograr una capacidad de memoria tan vasta podría resultar no tan utópico como parece. "Uno podría aproximarse tanto al último límite físico de la memoria sin tener que recurrir a las explosiones termonucleares", acotó Lloyd.

Cuidado, están en busca de su notebook

NUEVA YORK (De un enviado especial).- Los pasajeros esperaban exhaustos con sus bártulos por las filas de asientos, pero también en el piso.

El vuelo a Denver desde el aeropuerto JFK estaba dos horas demorado. De improviso, un norteamericano cansado se levanta, cierra su notebook, la guarda y le pide a su vecino que mire sus valijas por un instante. Necesita ir al baño que está a cinco metros, enfrente.

Cuando regresa, la valija con su PC había desaparecido. Se desespera, pregunta y nadie vio nada. Un momento de distracción de su compañero de espera y todo su trabajo de los últimos seis meses había volado.

Ese era el tiempo de su último backup.

Esta historia se repitió el año último en los Estados Unidos, con variantes, más de trescientas mil veces. ¿Puede ser tantas? Sí, según las estadísticas coincidentes de varios medios, en 1999 fueron robadas 319.000 notebooks en aeropuertos, oficinas y hoteles.

Llama la atención, si consideramos el mercado argentino, pero sólo basta tomar un avión de cabotaje en el país del Norte para descubrir que en el asiento de al lado, delante o atrás hay alguien escribiendo en una PC portátil.

El daño que uno sufre cuando le roban la computadora no son únicamente los 2000 o 3000 dólares que puede costar el equipo más sus periféricos, sino también la información. Que a lo mejor al caco no le interesa, pero usted la pierde. La presentación de mañana, la estrategia de marketing de su corporación (¡qué bochorno con el jefe!), la libreta de direcciones y los archivos de correo electrónico. Todo. Ido para siempre.

Para atrapar al ladrón

Alrededor de los robos de notebooks, en los Estados Unidos ha surgido una industria con un sinfín de soluciones para tratar de evitarlos.

Recorra grandes negocios de computación como la neoyorkina J&R, CompUSA -una cadena con locales en todo el país- u otros, y comprobará que ya destinan un área dedicada a la seguridad de las computadoras portátiles.

Existen varios métodos para evitar o avisar al dueño que se perpetró un robo.

Existen dispositivos físicos o digitales. Dentro de los primeros, hay cadenas que se conectan a algunos de los puertos del equipo con una llave especial. Los muy conocidos de Kensington ( www.kensington.com ), CableLock, se venden en Estados Unidos por 44,95 dólares. Targus ( www.targus.com ) comercializa un dispositivo similar, el Defcon CL, por 29,99 dólares.

Vayamos ahora a las alarmas sonoras. Targus también ofrece un equipo sonoro, el Defcon 1, que vale 49,99 dólares.

Si el delincuente pretende violentar la cadena unida a la valija de la notebook o al propio equipo, saldrá un sonido de 110 decibeles.

Una idea del volumen de ruido lo da este valor: una moto de carrera de Gran Premio tiene un valor máximo permitido de 107 decibeles. El Defcon 3, por 129 dólares, es similar a una alarma de automóvil: si usted se acerca o toca el equipo, sonará el estruendo. También se maneja con un dispositivo infrarrojo.

Pero además hay software en conjunto con un servicio brindado por la empresa CompuTrace, entre otros.

Trabaja del siguiente modo. Usted instala el soft y luego le roban la PC. Debe avisar a CompuTrace, que rastrea al ISP y, con una orden judicial, este tiene que proveer la información de desde dónde se efectuó la llamada. Claro, este método no es exacto. Por otro lado, no explicaron qué pasaba si los ladrones formatean el disco rígido. Además, en muchos casos se quiere el equipo por las partes.

¿Qué puede hacerse para disminuir la posibilidad de robos? No la lleve en un envoltorio donde sea obvio que adentro hay una PC. En el hotel, guárdela en la caja de seguridad cuando no la use. Pero si las hadas y el destino ya tienen señalado que usted le perderá la pista a su computadora, acostúmbrese a efectuar un backup de sus archivos frecuentemente.

Una computadora cuántica en el país

"El de Lloyd es un trabajo muy provocador, no está pensando qué vamos a hacer mañana o en 100 años, sino cuáles son las limitaciones fundamentales que existen para conocer el mundo a través de la informática", le dijo a La Nación el Dr. Juan Pablo Paz, director del departamento de Física de la Universidad de Buenos Aires (UBA), en una conversación telefónica desde Ushuaia.

Los dos científicos se hicieron amigos en 1990, cuando estaban haciendo sus estudios posdoctorales en el centro de investigación de Los Alamos, y se encontraron la semana última en Ushuaia junto a otros investigadores norteamericanos interesados en la computación cuántica, en un evento financiado por la National Science Foundation de Estados Unidos y la Agencia Nacional de Promoción Científica y Técnica. La idea de la computación cuántica surgió a principios de los años 80, propulsada entre otros por el Nobel de Física Richard Feynman. Especulaban con qué pasaría si se usara un átomo para guardar un bit, -relató el Dr. Paz-, algo que sólo se logró hacer a mediados de los años 90." En una computadora normal, un bit (un 1 o un 0) se almacena en un granito de material magnetizado (como en la superficie de un disco). "En una computadora cuántica se usa un átomo o un electrón -explicó Paz-; según su posición es un 0 o un 1. Pero además, la mecánica cuántica explica otra propiedad de esos bits cuánticos (qbits): pueden ocupar los dos estados al mismo tiempo, un fenómeno conocido como superposición de estados."

Esto permite a las computadoras cuánticas hacer cómputos paralelos. Por ejemplo, descifrar una clave criptográfica de manera veloz: en una serie de 0 y 1, buscan las dos posibilidades de cada bit al mismo tiempo. Paz es conocido en el mundo cuántico por sus trabajos sobre decoherencia (la influencia del ambiente en elementos microscópicos) y algoritmos para corrección de errores en computadoras cuánticas.

Construyó una computadora cuántica con sus estudiantes adaptando un espectrómetro de resonancia magnética nuclear en un sótano de la Facultad de Ciencias Exactas. "Otra gente lo hace con aparatos más nuevos; el mío tiene 15 años, y ya hay cosas que no puedo hacer. Por eso nos dedicamos a la teoría, donde todavía podemos seguir desarrollando cosas."

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