Para aumentar la duración de la información en los dispositivos cuánticos de memoria

El diseño de un mecanismo a tal fin surgió en una investigación con un objetivo completamente distinto: la búsqueda de un modelo simplificado de agujeros negros cuánticos

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La conservación de la información constituye quizá uno de los mayores desafíos para el desarrollo de la computación cuántica. Sucede que, tal como lo demostró el físico de IBM Rolf Landauer (1927-1999) a comienzos de la década 1960, existe una conexión íntima entre la información y el calor. El procesamiento de datos produce energía térmica y, como consecuencia de ello, la información se corrompe. Y no puede almacenarse para siempre; ni siquiera durante un tiempo suficientemente largo.

La gran ironía reside en que, a lo largo de la historia, el desarrollo de los sustratos materiales de la información y el aumento de la cantidad de información registrada en ellos han sido acompañados por una progresiva pérdida de la capacidad de retención.

Las inscripciones en piedra grabadas en los monumentos egipcios resisten desde hace miles de años. Los libros de papel, en los mejores escenarios, pueden preservarse durante algunos siglos. En tanto, los plazos de vencimiento de los discos rígidos contemporáneos se extienden entre tres y cinco años, y los dispositivos de memoria flash, CDs y DVDs no duran más de una década. Con la expectativa de la miniaturización de los sistemas hasta la escala cuántica, este fenómeno se acentuará, pues la disipación de energía en forma de calor aumenta.

En un nuevo estudio, se ha identificado un fenómeno que puede posibilitar que los sistemas cuánticos retengan información durante mucho más tiempo que el esperado. Si bien se lo concibió en el marco de la ciencia pura, con un aparato matemático altamente abstracto, el modelo propuesto ofrece ideas que quizá puedan servir como paradigma para los tecnólogos y los ingenieros implicados en la construcción de componentes de la futura computadora cuántica.

Este modelo se describió en una artículo publicado en Journal of High Energy Physics y firmado por Pramod Padmanabhan, Soo-Jong Rey, Daniel Teixeira y Diego Trancanelli.

“Este estudio constituye un ejemplo de cómo las ideas originadas en áreas completamente distintas pueden trascender su hito inicial y ofrecer perspectivas de aplicaciones imprevistas. Cuando empezamos este trabajo, no pensábamos en la computación cuántica. Padmanabhan, quien realizaba su posdoctorado en la USP, estaba interesado en aplicar una construcción inusual de supersimetría en la clasificación de fases de la materia. Vislumbré en ello la posibilidad de elaborar modelos sencillos para intentar entender algunos aspectos de la gravitación cuántica, que es mi área de investigación. El desarrollo del trabajo nos llevó muy lejos del punto de partida”, declaró Trancanelli, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo, a Agência FAPESP.

Este estudio contó con el apoyo de la FAPESP en el marco del Proyecto Temático intitulado “Dualidad gravitación/ Teoría de Gauge”, de la Ayuda a la Investigación – Regular “Test de precisión de la correspondencia AdS/ CFT” y de la beca de posdoctoral intitulada “Aplicaciones de álgebras de Hopf en Física”.

Trancanelli explica que el objetivo inicial consistió en construir un modelo simplificado que funcionase como análogo al agujero negro. Pero no análogo a los agujeros negros astrofísicos, producidos por el colapso gravitacional de estrellas de gran masa, sino a los agujeros negros cuánticos, que son objetos sumamente pequeños, para los cuales se busca establecer una teoría de gravitación cuántica.

“Una de las características atribuidas a los agujeros negros cuánticos es la de ser caóticos. Cualquier información que se les aporte sería ‘olvidada’ en poquísimo tiempo. En la naturaleza, serían los que harían eso de manera más rápida. Sin embargo, cuando construimos el modelo simplificado, verificamos que los vínculos que impone la supersimetría son tan fuertes que lo que ocurre de hecho es precisamente lo contrario. En lugar de caos, lo que sucede es un orden en el cual la información no se destruye ni se desperdicia, sino que se conserva. Encontramos lo opuesto a aquello que buscábamos: un sistema que logra preservar información de manera sumamente eficiente”, dijo.

Ésta es una de las propiedades que se anhelan en la construcción de dispositivos de una futura computadora cuántica. Porque en ellas, la preservación de la información, sin la llamada “decoherencia”, resultante de la interacción del sistema con el medio, es una necesidad fundamental.

“No es que estemos proponiendo un dispositivo cuántico de memoria. Nuestra investigación transcurrió en el ámbito de la ciencia pura, sin ninguna expectativa de despliegue tecnológico. Pero algunas ideas que desarrollamos podrán suministrar pistas útiles eventualmente”, dijo el doctorando Daniel Teixeira, coautor del artículo.

Para entender con mayor profundidad este tema, es necesario tener en cuenta la visión que se tiene en referencia a los agujeros negros y lo que el modelo simplificado en pauta intentaba reproducir. Un concepto clave es el de “horizonte de eventos”, que es el límite a partir del cual no hay retorno. Si una determinada cantidad de materia atraviesa el horizonte de eventos, es capturada por el agujero negro y no regresa más.

Desde diversos aspectos, el horizonte de eventos se comporta como una membrana. Así como una piedra arrojada al agua produce ondas que se disipan paulatinamente, cualquier información que caiga en un agujero negro produce perturbaciones en su horizonte de eventos, perturbaciones que se disipan muy rápidamente.

A este proceso de “desconfiguración” de la información en inglés se lo denomina scrambling, un vocablo que puede traducirse como “mezcla”. Un ejemplo cotidiano de scrambling lo constituyen los huevos revueltos, o scrambled eggs en inglés. Una vez que la clara y la yema se han mezclado, no pueden recuperarse más en su configuración original. Se produce una pérdida de información en el sistema relacionada con el aumento de entropía.

“Lo que descubrimos con nuestro nuevo modelo fue que los vínculos que suministra la supersimetría cumplen un papel análogo al de los aislantes térmicos, que retardan el intercambio de calor y, por ende, de información entre el sistema y el medio. Nuestro modelo no reproduce el agujero negro, que es una realidad mucho más compleja. En lugar de la disipación rápida, el comportamiento que presenta es el de la conservación prolongada de la información, un resultado sorprendente, y sumamente interesante para la eventual creación de dispositivos cuánticos de memoria”, dijo Trancanelli.

Supersimetría

La supersimetría es una estructura matemática propuesta por los físicos teóricos que aún no ha sido observada experimentalmente. De una forma muy resumida, la idea básica indica que por cada partícula de las denominadas elementales existe una socia supersimétrica igual en energía, pero distinta estadísticamente.

En el llamado Modelo Estándar, por ejemplo, todas las partículas son fermiones o bosones. Los fermiones son partículas con espín semientero, que obedecen a la estadística de Fermi-Dirac. Por ejemplo, el electrón. Los bosones son partículas con espín entero que obedecen a la estadística de Bose-Einstein. Por ejemplo, el fotón. En las extensiones del Modelo Estándar que incluyen a la supersimetría, por cada fermión se agrega un bosón como socio y viceversa.

“La supersimetría es útil pues con ella las teorías se vuelven mucho más sencillas. Resulta fácil entender esto mediante una analogía. Comparemos dos cuerpos geométricos: la esfera y el cubo. Ambos presentan simetría, pero la esfera es más simétrica. La visión que tenemos de la esfera no depende del ángulo observado, dado que ésta es simétrica en todas sus direcciones. En tanto, la visión que tenemos del cubo depende del ángulo desde cual lo observamos. Por ende, cuanto más simétrico es un sistema, más sencilla es la teoría necesaria para su descripción. En el caso de algunos sistemas cuánticos como el que estudiamos, la supersimetría vincula tanto la teoría que la deja resoluble. Es posible calcularla con papel y lápiz, sin necesidad de hacer simulaciones numéricas ni contar pesados recursos computacionales. Así fue como hicimos todos nuestros cálculos”, explicaron los investigadores.

Mediante el empleo de los principios matemáticos de la supersimetría, Trancanelli y sus colaboradores idearon un material hipotético dotado de una especie de “barrera”, capaz de retardar la pérdida de información. Esta “barrera” se constituye debido al hecho de que los electrones ocupan en la estructura del material los niveles de mínima energía y no tienen peldaños superiores disponibles. Por eso el intercambio de energía entre el sistema y el medio también queda minimizado.

Al final, la entropía siempre gana, y la información queda “desconfigurada”. Pero el tiempo de retención de la información se vuelve exponencialmente más largo que el de los dispositivos de memoria actuales, basados en sustratos de silicio.

Si bien dicho material aún no existe, esta idea puede orientar a los tecnólogos y a los ingenieros comprometidos con la factibilidad de la computación cuántica.

Puede leerse el artículo intitulado Supersymmetric many-body systems from partial symmetries – integrability, localization and scrambling (doi: https://doi.org/10.1007/JHEP05(2017)136), de Pramod Padmanabhan, Soo-Jong Rey, Daniel Teixeira y Diego Trancanelli, en el siguiente enlace: link.springer.com/article/10.1007/JHEP05(2017)136.