Nada es para siempre, pero, ¿es posible frenar la ineludible decadencia? Una investigación sobre el retraso del deterioro de los dispositivos de memoria cuántica y la formación de agujeros negros explicada con analogías intuitivas de la vida cotidiana

Inevitablemente, grandes estrellas al final de su vida colapsan bajo la gigantesca fuerza de la gravedad, convirtiéndose en agujeros negros. Podríamos preguntar astutamente si hay una manera de retrasar este proceso; posponer la muerte de la estrella. Mientras investigaba la "terapia antienvejecimiento" de las grandes estrellas, investigadores del Centro de Física Teórica del Universo, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) conceptualizó un material ideal que podría almacenar datos durante un tiempo excepcionalmente más largo que los dispositivos actuales de corta duración, trayendo nuevas pistas para las futuras tecnologías de memoria cuántica.

Los arqueólogos han podido descubrir, y muchas veces descifrar, mensajes dejados por civilizaciones antiguas en tablillas de arcilla, piedra o papel. Estos especímenes llegaron al siglo XXI, pero, ¿sobrevivirán nuestros mensajes digitales en perfectas condiciones durante miles de años? La producción de nueva información digital es más grande que nunca, pero los dispositivos basados ​​en silicio vienen con una fecha de vencimiento:es de alrededor de 3 a 5 años para los discos duros y de 5 a 10 años para los dispositivos de almacenamiento flash, CD y DVD. Desafortunadamente, todos nuestros recuerdos invaluables almacenados como fotos digitales, videos y documentos digitalizados no estarán disponibles para nuestros descendientes, a menos que, por supuesto, los copiemos cuidadosamente a nuevos dispositivos de vez en cuando. Superar esta limitación es uno de los mayores desafíos que enfrentan los científicos en la actualidad. "Todos morimos, pero queremos ralentizar el proceso de envejecimiento, para que podamos vivir más, mucho más que ahora. Lo mismo ocurre con nuestros datos digitales, queremos prolongar su existencia, "dice Soo-Jong Rey, director del campo, Gravedad, y Grupo de Cuerdas en el Centro de Física Teórica del Universo.

Pasar a lo cuántico es la mejor manera de aprovechar las múltiples facetas del mundo a nanoescala. Nos permite explotar la propiedad cuántica del "entrelazamiento cuántico" mediante el cual se pueden formar estructuras coherentes a estas pequeñas escalas. El principio cuántico fundamental fue planteado por Rolf Landauer en 1961. Descubrió que el calor y la información están íntimamente conectados. El procesamiento de datos genera calor y, por esta razón, la información se deteriora y no se puede almacenar para siempre. Ahora con miniaturización digital, estamos llevando la tecnología a sus límites cuánticos. La información se almacena en dispositivos de escala cuántica cada vez más pequeños, contra su tendencia natural a extenderse, y por lo tanto generando aún más calor.

No hace falta decir que, el declive y la decadencia son parte de la vida, ya que todo se reduce a la transferencia de energía. Es el mismo fenómeno que hace que un café caliente alcance la temperatura ambiente cuando entra en contacto con una taza fría y el aire. La energía se transfiere del café a la taza y, finalmente, al aire. La energía tiende a disiparse, a menos que esté protegido y confinado. Este proceso de intercambio que reduce la temperatura del café está finalmente conectado a un proceso de información cuántica que los físicos llaman "codificación" en la escala cuántica final. Como sugiere la palabra, codificar implica la mezcla de energía e información donde los originales no se pueden recuperar, de la misma forma que la yema y la clara no se reconocen en un huevo revuelto.

Para mantener el café caliente durante más tiempo, sería necesario protegerlo de cualquier otro material o sustancia más fría. En el caso de los dispositivos de memoria, para que el dispositivo siga funcionando durante más tiempo, los electrones o átomos que portan energía o información de unidades cuánticas no deben interactuar con otros electrones y átomos y deben aislarse tanto como sea posible. El confinamiento es creado por otros átomos que forman una barrera. Hace mucho tiempo, Phil Anderson demostró que esta barrera construida por átomos funciona perfectamente si nuestro mundo fuera unidimensional, como una línea. Imagínese tener átomos en línea y poner un obstáculo en el medio para mantenerlos separados. Sin embargo, si se mueven en un terreno plano bidimensional o en un material tridimensional, este tema es notoriamente complicado. Aunque la industria de los semiconductores está especializada en controlar estas barreras, Los átomos siempre pueden encontrar caminos para moverse o saltar y alcanzar a sus vecinos.

Para complicar aún más el problema, se descubrió que los electrones se mueven juntos como grupos, llamados sistemas fuertemente correlacionados o sistemas de muchos cuerpos. Entonces, si bien los científicos quieren aislar átomos y electrones individuales y evitar que interactúen entre sí, sostener las riendas de un grupo de ellos es aún más desafiante.

Para encontrar un sistema idealizado que esté localizado y correlacionado al mismo tiempo, el equipo de investigación del IBS se basó en un concepto exótico llamado supersimetría. "En supersimetría, cada partícula tiene un compañero. Por ejemplo, cada electrón se empareja con un selectrón de la misma energía y masa. Debido a estos emparejamientos, el sistema se puede resolver con lápiz y papel, sin la necesidad de una simulación por computadora, no importa cuantas partículas tengas, "dice Rey.

Usando los principios matemáticos de la supersimetría, los científicos conceptualizaron un material ideal con la organización estructural adecuada que podría almacenar datos cuánticos durante un tiempo excepcionalmente largo, "exponencialmente más largo que los dispositivos de memoria actuales".

El material que imaginan tiene una arquitectura especial de niveles de energía para sus electrones. Los niveles de energía se pueden imaginar como los pisos de un hotel. Sin embargo, la forma del hotel se ve diferente según el tipo de átomo. Cuanta más energía tiene el electrón, el piso más alto que ocupa. Entonces, los electrones involucrados en el almacenamiento de datos ocuparían los pisos superiores. Usando esta analogía, el hotel de silicio tiene una forma similar a una pirámide invertida con habitaciones disponibles en cada piso. Los electrones con datos en el piso superior pueden intercambiar fácilmente su energía o datos con electrones en los pisos inferiores. De este modo, intercambian habitaciones con otros electrones transfiriendo energía o datos. Cambio de habitación tras cambio de habitación, se producirá codificación.

El hotel propuesto por el equipo de investigación de Rey, en lugar de, se estrecha rápidamente a medida que sube más alto. En este hotel la mayoría de los electrones están en el primer piso porque hay muy pocas habitaciones disponibles en los pisos superiores. Como no hay habitaciones disponibles en el piso de arriba, los electrones no pueden interactuar entre sí, y no pueden intercambiar habitaciones. De este modo, los datos de los electrones en los pisos superiores no se pierden con el paso del tiempo. Finalmente, el proceso de codificación ocurrirá, pero llevaría un tiempo exponencial.

"La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía no puede disminuir, pero no menciona cuánto tiempo tarda un estado ordenado en volverse caótico. Entonces el nombre del juego es longevidad; para prolongarlo tanto como sea posible, "aclara Rey". por supuesto, el hotel se derrumbará, la entropía es el ganador final, es inevitable, pero queremos asegurarnos de que esa victoria llegue solo después de mucho tiempo ".

Aunque todavía no existe un material con tales niveles de energía, esta nueva comprensión puede guiar a los científicos de materiales e ingenieros de dispositivos de memoria sobre cómo desarrollar dispositivos de almacenamiento de memoria superiores que se ajusten a este concepto y que puedan reemplazar al silicio.

Volviendo a la "terapia antienvejecimiento de las grandes estrellas", de la misma manera que teóricamente es posible diseñar un material para un almacenamiento digital más prolongado, los científicos se preguntan si es posible señalar un criterio preciso para retrasar la desintegración de las estrellas grandes. En otras palabras, ¿Podrían retrasar la formación de agujeros negros? La investigación futura lo dirá.

El estudio fue publicado en la Revista de física de altas energías .