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La molécula Nerd (contenido cientifico)

Logran que una molécula haga cálculos miles de veces más rápido que un PC

Científicos japoneses de varias instituciones académicas han publicado un artículo en la edición del 3 de mayo de la revista Physical Review Letters en la que describen un experimento en computación cuántica consistente en emplear una única molécula de yodo (I2) para calcular una transformada de Fourier discreta, un algoritmo con múltiples aplicaciones, como el reconocimiento de señales o la compresión de datos.

El resultado ha sido espectacular, según relata Science Daily. Según los investigadores, la velocidad de las oscilaciones moleculares prueban que el algoritmo puede ejecutarse con muchísima rapidez, del orden de unas pocas decenas de femtosegundos (milbillonésimas partes de un segundo), miles de veces más rápido que la velocidad alcanzada por un ordenador personal, según informa APS Physics.

El problema, evidentemente, es que esto es posible en el laboratorio, ya que tanto la forma de "introducir los datos" para que la molécula calcule es muy compleja, así como la recepción de los mismos. No parece claro cómo esto podría encadenarse con otras moléculas para que actuaran juntas haciendo cálculos, ni como enviar y recibir datos de una forma compacta, manejable y económica. La técnica podría estar a décadas de dar algún resultado tangible.

No obstante, el experimento muestra lo mucho que habría que ganar si estos problemas se van solucionando.

ATENCION: CONTENIDO CIENTIFICO DESPUES DE ESTE PUNTO


La molécula Nerd (contenido cientifico)

Foto (A): la dinámica de la fase espacio de un oscilador armónico de vibración molecular. evolución en el tiempo es equivalente a una rotación del espacio de fases. La función de Wigner que representa el estado cuántico vibracional se muestra en dos momentos distintos que difieren en un cuarto del periodo de vibración. La medición de la posición del paquete de ondas vibracionales es equivalente a la proyección de la función de Wigner en el eje de coordenadas. Las dos distribuciones marginales se muestra (líneas) indican el origen de la transformada de Fourier, ya que son proporcionales a las distribuciones de probabilidad inicial de la posición y la probabilidad de impulso del paquete de ondas.
Foto (B): La molécula diatómica se excita desde el suelo hasta el primer estado electrónico excitado por un pulso óptico en forma de programa (P) que prepara el estado cuántico inicial del modo de vibración eficaz en la programación de la distribución que se transformada de Fourier. Un período de vibración trimestre más tarde, un impulso de referencia (R), genera una onda vibratoria segundo paquete que interfiere con la primera, la fase de conversión acumuladas en las poblaciones de los niveles de vibración en el estado excitado. Un láser de medición (M) es a las poblaciones mediante la inducción de la transición a una mayor altitud electrónico de estado, de la que la fluorescencia (f) se detecta. La intensidad de la fluorescencia es proporcional a la población en el nivel de vibración a la que el láser de medición está sintonizado.

La íntima conexión entre la información y la física ha recibido un énfasis considerable en las últimas dos décadas, en gran parte debido a los éxitos espectaculares de la ciencia de la información cuántica (QIS). Esto ha llevado a la exploración de una amplia variedad de plataformas físicas que pueden ser adaptados para la aplicación de protocolos de tratamiento de la información útil. Entre ellos se encuentran los átomos, iones, moléculas, los fotones, los superconductores y semiconductores.

El foco de QIS está en capacidad para la informática, las comunicaciones, y la metrología que trascienden los de dispositivos diseñados utilizando los principios de la física clásica. La aparición de esta área ha llevado, además, a las consideraciones de si el procesamiento de información clásica puede ser mejorada mediante el uso de las nuevas muestras físicas, aun cuando toda la potencia de las correlaciones cuánticas multipartículas no se utilizan [1, 2]. Escribiendo en Physical Review Letters, Kouichi Hosaka Y colaboradores de diversas instituciones en Japón ilustran cómo la interferencia cuántica puede ser utilizado para ejecutar un algoritmo clásico comunes muy rápidamente dentro de unas pocas decenas de femtosegundos. Hosaka et al. demostrar que la dinámica asociada con las vibraciones de los átomos de una molécula se puede utilizar para aplicar una transformada de Fourier. La rapidez de las oscilaciones moleculares significa que este protocolo se puede ejecutar muy rápidamente, mucho más rápido, como señalan los autores, que los dispositivos imaginables basados en electrónica convencional.

La física se basa el algoritmo es simple y elegante. El modo de vibración de una molécula diatómica, cerca cuando se excita al equilibrio, se aproxima a un oscilador armónico aislado. Si la molécula está bien aislada de su entorno, ya una temperatura baja, el oscilador experiencias decoherencia muy poco ya sea por colisiones o por el acoplamiento del movimiento de vibración y rotación, de modo que la evolución unitaria necesaria para el efecto es dominante.

Una característica notable del oscilador armónico cuántico es que la evolución dinámica de un paquete de ondas es exactamente la de una transformada de Fourier fraccional, con la transformación completa que ocurren periódicamente en fechas t=t0+(2n+1)π/2ω, (n=0,1,2…), Donde t0 es un momento de referencia inicial. Por lo tanto el paquete de ondas período de un trimestre después de la preparación inicial es la transformada de Fourier del paquete de ondas original:

ψ(x,t=t0+π/2ω)∝ψ̃(p=mωx/h,t0).
(1)

Una forma alternativa de ver esto es en términos de una imagen del espacio de fase del movimiento, como se ilustra en la figura. 1 (uno).

La función de Wigner Wψ(x,p;t) del paquete de ondas proporciona una representación conveniente de su estado cuántico, al mismo tiempo de codificación de información común sobre la posición x y el impulso p del oscilador. Es una función de densidad conjunta quasiprobability, los marginales de las cuales son las distribuciones de probabilidad de la posición de la partícula o el impulso. Esta función sigue una trayectoria circular a través del espacio de fase del oscilador, como se indica en la figura. 1, y la dinámica son simplemente descrito por la rotación de la distribución de Wigner sobre el origen.

Se desprende de esta imagen que una medida de la posición del oscilador, indicado por la proyección de la función de Wigner en el eje de la posición del espacio de fases, se transformará entre el de la distribución posición inicial y la distribución de movimiento inicial en cada período trimestre . Esta característica ha sido reconocida como habilitar una serie de aplicaciones útiles. Por ejemplo, la transformada de Fourier fraccional aplicarse a veces entre t y t=t0+π/2ω sugiere que la información se puede obtener suficiente para reconstruir completamente el estado cuántico de la [oscilador4, 5].

En el presente trabajo, los autores utilizan ahora estas dinámicas para efectuar una transformada de Fourier discreta. Un paquete de ondas vibratorias se genera en una molécula de yodo mediante la excitación de la transición electrónicas a las que el modo de vibración está acoplado. Con el electrón en el estado excitado, los átomos ya no están en equilibrio y comenzar a oscilar. El estado cuántico de vibración se puede ajustar cambiando la forma temporal de los pulsos ópticos que excita los electrones sacudiendo el electrón de una manera cuidadosamente controlada permite que la forma del paquete de ondas vibracionales moleculares para ser esculpidos.

El paquete de ondas transforman se mide por medio de un [proceso de dos pasos ver fig. 1 (b)]. En primer lugar, un paquete de ondas de referencia, genera de forma similar al programa de pulso por un pulso de láser de referencia por separado, se añade. Esto tiene el efecto de la evolución de las amplitudes de los estados propios de vibración que forman el paquete de ondas en proporción a la fase que han acumulado en su evolución libre. El mecanismo concreto de esto es que los estados molecular puede ser excitado o de emocionados, en función de la fase relativa del dipolo electrónico excitado por el primer pulso con respecto al campo eléctrico del segundo pulso. Una vez que esta transferencia de fase a amplitud se ha producido, las amplitudes de los estados vibracionales individuales se miden mediante la excitación a un estado superior electrónica mediante un láser por separado de la sonda estrecha banda. La fluorescencia de estos estados se mide en función de la longitud de onda del láser de la sonda y en función de la fase del pulso láser de referencia. Esto le da al estado propio de las poblaciones como el láser de la sonda se sintoniza a través del nivel de energía adecuado, de la que las fases se puede inferir la evolución y el paquete de ondas determinada.

Los autores señalan la función importante que el movimiento molecular se ejecuta la transformada de Fourier en una mera 145 fs. Esto es varios órdenes de magnitud más rápido que los dispositivos basados en la electrónica de silicio es probable que sean capaces de lograr. Esta observación provoca una proposición atractiva, la idea de la alta velocidad, las operaciones de la lógica y algoritmos nondissipative haría una revolución en muestras físicas de los dispositivos de cómputo.

Sin embargo, hay una serie de obstáculos importantes que hay que superar dichos dispositivos electrónicos actuales para desplazar a alta velocidad. En primer lugar, la programación y la lectura del dispositivo necesariamente requieren recursos importantes, tanto en la aplicación efectiva y, en principio. Esta sobrecarga tendrían que reducirse drásticamente para este enfoque sea viable en la práctica. En segundo lugar, la conectividad necesaria para la aplicación de los procesadores a gran escala no se encuentra. No es todavía posible encadenar una secuencia de estos transformadores de Fourier con otras operaciones en medio de una manera que permite a un dispositivo programable real para ser construido. En tercer lugar, este enfoque no incluye la ampliación favorable del dispositivo que es el sello de procesadores de información cuántica. Esto se debe a que el protocolo hace uso de una sola partícula de interferencias un efecto cuántico para estar seguros, pero que tiene análogos en la física ondulatoria clásica. El uso de un electrón de valencia molecular para el control y lectura del estado vibracional significa que el planteamiento es el enredo multipartículas necesarios para realizar mejoras exponenciales en la capacidad de cómputo actual. Reconociendo el elemento clave que participan como una interferencia cuántica de una partícula se plantea la cuestión de si un proceso basado en la interferencia de ondas bien podría ser simulado totalmente óptica en [una forma igualmente eficaz6, 7].

Sin embargo, la noción clásica de un procesador con una dramática aceleración sugiere que vale la pena seguir explorando nuevas formas de utilizar los sistemas físicos para codificar y manipular información, y que esta conexión puede revelar nuevos conocimientos sobre la física y en el procesamiento de información.

Referencias:

1. J. Ahn, T. C. Weinacht, Y P. H. Bucksbaum, Ciencia 287, 463 (2000).
2. M. N. Leuenberger y D. Pérdida, Naturaleza 410, 789 (2001).
3. K. Hosaka, H. Shimada, H. Chiba, H. Katsuki, Y. Teranishi, Y. Ohtsuki, Y K. Ohmori, Phys.. Rev. Lett. 104, 180501 (2010).
4. T. Dunn, I. A. Walmsley, Y S. Mukamel, Phys.. Rev. Lett. 74, 884 (1995).
5. U. Leonhardt y M. G. Raymer, Phys.. Rev. Lett. 76 1985 (1996).
6. E. Brainis et al., Phys.. Rev. Lett. 90, 157902 (2003).
7. P. Londero, C. Dorrer, M. Anderson, S. Wallentowitz, K. Banaszek, Y I. A. Walmsley, Phys.. Rev. A. 69, 0103029 (2004).

3 comentarios - La molécula Nerd (contenido cientifico)

memol
mira que chingones , excelente post, este tipo de noticias no se dan a conocer normalmente, y son realmente muy interesantes, muchas gracias por compartir
PERITA22AR
No es nuevo el concepto de computadora cuantica, es mas, vi un documental en el discovery channel. pero todavia es un aparato gigante, y a lo que mas tienen miedo que una encriptacion de 256 la resolveria en menos de 1 segundo donde una computadora convvencional tarda como diez años, asique cualqueiera que tenga un equipo asi para usarla podria meterse donde quiera. Asique cualqueir avance en esta ciencia vas a tener a la cia el el fbi y cualquier moustro atras tuyo quien se la quede gana