Solamente abrazando el caos podría ayudar a los científicos a construir un cerebro cuántico. Un nuevo estudio demuestra que el desorden del caos puede mejorar el acoplamiento entre la luz y la materia en los sistemas cuánticos, un hallazgo que podría conducir a la rápida y fácil construcción de computadoras cuánticas.

Las computadoras cuánticas prometen hacer cálculos súper rápidos, los cuales son necesarios para simular el mundo natural, pero los físicos han luchado durante años para el diseño de cerebros artificiales que gobiernen esas máquinas. Algunos investigadores se han centrado en el diseño de materiales con precisión de ingeniería que puedan atrapar la luz y aprovechar sus propiedades cuánticas. Para trabajar, los científicos han pensado que la estructura cristalina de estos materiales debe ser perfectamente ordenada, algo que estos momentos, es una tarea casi imposible.

Un nuevo estudio, publicado en la revista Science el 12 de marzo de 2010, sugiere que los físicos ansiosos sólo deben relajarse. Un grupo de investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca en Lyngby han demostrado que los materiales dispuestos al azar pueden atrapar la luz tan bien tal cual como estén ordenados en su estructura cristalina.

Como una opción «Hicimos un enfoque muy diferente e interesante: dejamos de lado todas esas estructuras ordenadas y usamos estructuras desordenadas», dice el coautor del estudio, Peter Lodahl. «Que jueguen con nosotros en vez de jugar en contra».

Un enfoque de la computación cuántica se basa en el entrelazado (entanglement) entre fotones y átomos, o la consolidación de sus estados cuánticos, con tanta fuerza, que puedan influir en los demás incluso a grandes distancias. Una vez entrelazados, un fotón puede llevar cualquier información almacenada en el estado cuántico del átomo a otras partes de la computadora. Para conseguir ese estado entrelazado, los físicos fijan la luz en pequeñas cavidades para aumentar la probabilidad de interacción cuántica con átomos vecinos.

Lodahl y sus colegas no buscaban atrapar la luz. Querían construir una guía de ondas, una estructura diseñada para enviar la luz en una dirección particular, por agujeros cuidadosamente perforados y espaciados en un cristal de arseniuro de galio. Debido a los efectos de la refracción (el cristal curva mucho mas la luz que el aire) la luz debió haber rebotado en los agujeros y viajado por un canal que había quedado limpio de agujeros.

Pero en algunos casos, la luz se negó a moverse. Se mantuvo atascada en el interior del cristal.

«Al principio nos estábamos rascando la cabeza», dice Lodahl. «Entonces fue cuando nos dimos cuenta de que el problema estaba relacionado con las imperfecciones de nuestras estructuras.» Lodahl pensó que si los materiales imperfectos podían atrapar la luz, entonces, los físicos podrían acoplar luz y materia con mucho menos problemas.

Para ver si el desorden podría ayudar a los materiales a atrapar la luz, Lodahl y sus colegas construyeron una guía de onda, y esta vez colocaron deliberadamente los agujeros a intervalos aleatorios. También incorporaron puntos cuánticos, diminutos semiconductores que pueden emitir un solo fotón a la vez en la guía de ondas, como un sustituto para los átomos que podrían entrelazarse con los fotones.

Después se hacen saltar los puntos cuánticos con un láser para hacer que emiten fotones, los investigadores encontraron que el 94% de los fotones se mantuvieron cerca de sus emisores, creando puntos de luz atrapada en el cristal. Esto es casi tan bueno como los resultados anteriores que usaban  materiales más precisamente ordenados. Intuitivamente, los físicos esperaban que la luz se dispersase en forma desordenada, pero en este caso las ondas de luz chocaban una contra otra y se recogian en el material.

«Esta es la esencia de nuestro descubrimiento: Se utilizaron modos localizados no sólo para atrapar la luz, sino para mejorar la interacción entre la luz y la materia,» dice Lodahl.

Esta es el primer avance logrado en la carrera hacia el entrelazado cuántico, dice Diederik Wiersma, un físico del Laboratorio Europeo de Espectroscopia no lineal en Florencia, Italia. «No se ha logrado aun como entrelazamiento cuántico, pero es un paso importante que todo el mundo tiene que hacer para llegar allí.»

El sistema produce varias trampas de luz por separado a la vez. Si las trampas de luz pueden ser entrelazadas unas con otras, el sistema podría algún día conducir hacia una red cuántica en un cristal organizado al azar.

Wiersma piensa en el potencial del producto como un cerebro cuántico. Al igual que el cerebro humano, un cerebro cuántico no es una estructura perfectamente ordenada. «La naturaleza no necesita de una estructura simétrica. Sólo necesita de su cerebro para trabajar”.

Traducción del original en Wired

Quantum Computing Thrives on Chaos