Durante las últimas cinco décadas, Los procesadores de computadora estándar se han vuelto cada vez más rápidos. En años recientes, sin embargo, los límites de esa tecnología se han vuelto claros:los componentes del chip solo pueden volverse tan pequeños, y estar empaquetados tan cerca unos de otros, antes de que se superpongan o cortocircuiten. Si las empresas quieren seguir construyendo computadoras cada vez más rápidas, algo tendrá que cambiar.

Una esperanza clave para el futuro de la informática cada vez más rápida es mi propio campo, física cuántica. Se espera que las computadoras cuánticas sean mucho más rápidas que cualquier cosa que la era de la información haya desarrollado hasta ahora. Pero mi investigación reciente ha revelado que las computadoras cuánticas tendrán sus propios límites, y ha sugerido formas de averiguar cuáles son esos límites.

Los límites de la comprensión

Para los físicos, los humanos vivimos en lo que se llama el mundo "clásico". La mayoría de la gente simplemente lo llama "el mundo, "y he llegado a comprender la física de forma intuitiva:lanzar una pelota la envía hacia arriba y luego hacia abajo en un arco predecible, por ejemplo.

Incluso en situaciones más complejas, la gente tiende a tener una comprensión inconsciente de cómo funcionan las cosas. La mayoría de las personas comprenden en gran medida que un automóvil funciona quemando gasolina en un motor de combustión interna (o extrayendo la electricidad almacenada de una batería), para producir energía que se transfiere a través de engranajes y ejes para hacer girar los neumáticos, que empujan contra la carretera para hacer avanzar el automóvil.

Bajo las leyes de la física clásica, hay límites teóricos para estos procesos. Pero son irrealmente altos:por ejemplo, sabemos que un automóvil nunca puede ir más rápido que la velocidad de la luz. Y no importa cuánto combustible haya en el planeta, o cuánto camino o cuán fuertes son los métodos de construcción, ningún automóvil se acercará ni siquiera al 10 por ciento de la velocidad de la luz.

La gente nunca se encuentra realmente con los límites físicos reales del mundo, pero existen, y con la investigación adecuada, los físicos pueden identificarlos. Hasta hace poco, aunque, Los eruditos solo tenían una idea bastante vaga de que la física cuántica también tenía límites, pero no sabía cómo averiguar cómo podrían aplicarse en el mundo real.

La incertidumbre de Heisenberg

Los físicos remontan la historia de la teoría cuántica a 1927, cuando el físico alemán Werner Heisenberg demostró que los métodos clásicos no funcionaban para objetos muy pequeños, aquellos que tienen aproximadamente el tamaño de los átomos individuales. Cuando alguien lanza una pelota, por ejemplo, es fácil determinar exactamente dónde está la pelota, y qué tan rápido se mueve.

Pero como mostró Heisenberg, eso no es cierto para los átomos y las partículas subatómicas. En lugar de, un observador puede ver dónde está o qué tan rápido se mueve, pero no ambos al mismo tiempo. Esta es una comprensión incómoda:incluso desde el momento en que Heisenberg explicó su idea, Albert Einstein (entre otros) estaba incómodo con eso. Es importante darse cuenta de que esta "incertidumbre cuántica" no es una deficiencia de los equipos de medición o la ingeniería, sino más bien cómo funciona nuestro cerebro. Hemos evolucionado para estar tan acostumbrados a cómo funciona el "mundo clásico" que los mecanismos físicos reales del "mundo cuántico" simplemente están más allá de nuestra capacidad de comprender por completo.

Entrar en el mundo cuántico

Si un objeto en el mundo cuántico viaja de un lugar a otro, los investigadores no pueden medir exactamente cuándo se fue ni cuándo llegará. Los límites de la física imponen un pequeño retraso en su detección. Así que no importa qué tan rápido ocurra realmente el movimiento, no se detectará hasta un poco más tarde. (Los períodos de tiempo aquí son increíblemente pequeños, mil billonésimas de segundo, pero suman más de billones de cálculos de computadora).

Ese retraso ralentiza efectivamente la velocidad potencial de un cálculo cuántico:impone lo que llamamos el "límite de velocidad cuántica".

En los últimos años, investigar, a lo que mi grupo ha contribuido significativamente, ha demostrado cómo este límite de velocidad cuántica se determina en diferentes condiciones, como el uso de diferentes tipos de materiales en diferentes campos magnéticos y eléctricos. Para cada una de estas situaciones, el límite de velocidad cuántica es un poco más alto o un poco más bajo.

Para sorpresa de todos, incluso descubrimos que, a veces, factores inesperados pueden ayudar a acelerar las cosas, a veces, de formas contrarias a la intuición.

Para entender esta situación, Podría ser útil imaginar una partícula moviéndose a través del agua:la partícula desplaza las moléculas de agua a medida que se mueve. Y después de que la partícula se haya movido, las moléculas de agua fluyen rápidamente hacia donde estaban, sin dejar rastro del paso de la partícula.

Ahora imagina esa misma partícula viajando a través de la miel. La miel tiene una viscosidad más alta que el agua, es más espesa y fluye más lentamente, por lo que las partículas de miel tardarán más en retroceder después de que la partícula se mueva. Pero en el mundo cuántico el flujo de retorno de miel puede acumular presión que impulsa la partícula cuántica hacia adelante. Esta aceleración adicional puede hacer que el límite de velocidad de una partícula cuántica sea diferente de lo que un observador podría esperar de otro modo.

Diseñando computadoras cuánticas

A medida que los investigadores comprendan más sobre este límite de velocidad cuántica, afectará la forma en que se diseñan los procesadores de computadoras cuánticas. Así como los ingenieros descubrieron cómo reducir el tamaño de los transistores y empaquetarlos más juntos en un chip de computadora clásico, necesitarán alguna innovación inteligente para construir los sistemas cuánticos más rápidos posibles, operando lo más cerca posible del límite máximo de velocidad.

Investigadores como yo tienen mucho que explorar. No está claro si el límite de velocidad cuántica es tan alto que es inalcanzable, como el automóvil que ni siquiera se acercará a la velocidad de la luz. Y no entendemos completamente cómo los elementos inesperados en el medio ambiente, como la miel en el ejemplo, pueden ayudar a acelerar los procesos cuánticos. A medida que las tecnologías basadas en la física cuántica se vuelven más comunes, tendremos que averiguar más sobre dónde están los límites de la física cuántica, y cómo diseñar sistemas que aprovechen al máximo lo que sabemos.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.