1. Computadoras moleculares, cuánticas y fotonicas. Moleculares: Historia
Probablemente la primera vez que fue mencionada la computación submicroscópica fue en la charla Hay Espacio de sobra allí abajo, abajo, por el físico Richard físico Richard Feynman. Leonard Adleman, de Adleman, de la Universidad la Universidad del Sur de California inició el estudio en este campo, en 1994 en 1994 . Adleman probó la utilidad, al menos teórica, del uso del ADN para resolver problemas. En particular, logró resolver el Problema del camino Hamiltoniano de 7 nodos. Desde los primeros experimentos de Adleman, se han realizado numerosos avances, y se ha probado que se pueden construir varias Máquinas varias Máquinas de Turing. Esta es una tecnología todavía en etapas bastante tempranas, por lo cual su uso existe más que nada como una opción teórica. Todavía usar computación convencional es una opción más eficiente que usar este método.
Características
Tamaño menor.
Más rápidas.
Almacenan más información que cualquier chip de una computadora convencional. Más de 10 trillones de moléculas de ADN podrían ocupar no más de 1 cm cúbico. Con esto, una computadora de ADN podría contener 10 TB de datos y una capacidad de 10 y trillones de procesos de cálculo al mismo tiempo. Los ordenadores moleculares resuelven problemas complejos rápidamente. A diferencia de los ordenadores convencionales más rápidos, se obtiene una mayor velocidad de ejecución, llegando incluso a ser 100.000 veces más rápidos que los tradicionales. La razón es que las reacciones químicas ocurren muy rápido y en paralelo, así que las moléculas de ADN sintetizadas con una estructura química, que representa información numérica, jugarán con una gran cantidad de números tal como procede en una reacción. Para llevar a cabo los cálculos los ordenadores ADN, que representan la información en términos de las unidades químicas de ADN, requieren sintetizar series específicas de ADN y permitirles
reaccionar en una probeta; a diferencia de los convencionales, que realizan los cálculos mediante un programa que maneja la información, representada físicamente, reflejándose en el flujo de electrones a través de los circuitos lógicos.
También contribuye a la configuración de este modelo la capacidad de procesamiento, y es que estos ordenadores son increíblemente ligeros, ya que aproximadamente con 1/2 Kg de ADN se obtiene más poder de procesamiento que con cualquiera de los ordenadores actuales. De esta composición se deduce que la colección de moléculas aporta al diseño del nuevo ordenador las características internas de húmedo y fluido en cuanto afecta a la unidad de procesamiento y memoria, por lo que debe prestarse atención al PH, la temperatura y las concentraciones de sal, como condiciones químicas que influirán en una óptima ejecución de los procesos. Codificación natural Los ordenadores ADN usan base 4 para representar los datos (adenina, tiamina, guanina y citosina), mientras que los ordenadores electrónicos usan base 2 en la forma de ceros y unos. Las bases de nitrógeno de ADN (A, T, G y C) son parte de los bloques básicos de construcción de la vida; usando estas cuatro letras, el ADN almacena la información que es manipulada por los organismos vivos casi exactamente de la misma manera que los ordenadores trabajan a través de cadenas de ceros y unos. La habilidad del emparejamiento de moléculas de ADN es lo que permite que se usen como modelo de datos abstracto en el laboratorio. Cada porción de datos se puede sintetizar mediante una única serie de ADN. El ADN forma una doble hélice — dos hebras de material: cada una envuelve a la otra — , que se debe principalmente a la atracción de los elementos individuales de cada hebra con los homólogos de su vecino. Los vínculos entre hebras están formados por cuatro aminoácidos (A, T, G y C). Cada aminoácido enlazará favorablemente sólo con uno de los otros. Los pares fuertes son A-T y G-C. El resto de enlaces son demasiado débiles para mantenerlos durante mucho tiempo .
Aplicación
Nano-Fabricación y autoemblaje de ADN. Se puede autoensablar el ADN en enredados de dos y tres dimensiones. Estas estructuras
pueden utilizarse para la codificación de cálculos en formas más complejas.
Problemas NP-Completos. Estos problemas requieren mucha búsqueda combinatoria para llegar a la solución y también se tiene que comprobar si la solución es la correcta. Estos problemas se resuelven gran cantidad de soluciones potenciales y cada solución se codifica en una molécula del ADN y a través de operaciones sobre el ADN recombinante se llegan a las soluciones correctas. Aumento de la capacidad de memoria. Procesamiento Paralelo. Cálculos en los que cada estado de un procesador se represeta por una hebra de ADN. Por ello podemos guardar en 1l de solución ADN aproximandamente unos 1000 procesadores. Hasta el momento este modelo tan reciente ha encontrado aplicación en los campos de la biología, la química, la medicina, como también en el de la informática en cuanto a seguridad de la información se refiere, como muestran los buenos resultados obtenidos en los sistemas de encriptación. Por otra parte la similitud entre las operaciones biológicas y matemáticas, junto a las características del ADN de estabilidad y predecibilidad en las reacciones, proporcionan la base para la codificación de la información en sistemas matemáticos. Por tanto, una vez codificada la información matemática, se podrían resolver problemas combinatorios de complejidad exponencial gracias a la capacidad de los ordenadores ADN de ser masivamente paralelos, contemplando así la posibilidad de trabajar problemas intratables, es decir aquellos en los que el lapso de tiempo para el cálculo crece exponencialmente con el tamaño de tales casos.
Cuánticas: Historia Cuando teóricos tales como Richard Feynmann, del Ca- lifornia Institute of Technology, de Pasadena (California); Paul Benioff, de Argonne National Laboratory, en Illinois; David Deutsch, de la Universidad de Oxford, en Inglaterra, y Charles Bennett, del T.J. Watson Research Center de IBM en Yorktown Heights (Nueva York), propusieron por primera vez el concepto de las computadoras cuánticas en las décadas de 1970 y 1980, muchos científicos dudaron que alguna vez ese tipo de computadora pudiera resultar práctica. Pero en 1994, Peter Shor,
de AT and T Research, describió un algoritmo cuántico específicamente diseñado para factorizar números grandes y exponencialmente más rápido que las computadoras convencionales, lo suficientemente rápido como para burlar la seguridad de muchos criptosistemas de clave pública. El potencial del algoritmo de Shor alentó a muchos científicos a tratar de explotar las capacidades de las computadoras cuánticas. En los últimos años, varios grupos de investigación de todo el mundo han alcanzado progresos significativos en este campo. No hace mucho tiempo, se inició la era digital, con modelos electrónicos basados inicialmente en tubos de vacío y luego en transistores. La EDVAC fue la primera computadora electróni- ca digital, su memoria consistía en líneas de mercurio dentro de un tubo de vidrio al vacío, donde se podía almacenar ceros y unos. El transistor, es el invento que más ha influenciado en la evolución de las computadoras, este fue concebido en 1948, por tres científicos en los laboratorios de Bell. Este contiene un material semiconductor que funciona como un interruptor. En 1958 Kilby y Noycea, de la Texas Instrument, inventaron los circuitos integrados, haciendo que las computadoras fuesen cada vez más pequeñas. A comienzos de la década de los 80 IBM empezó a desarrollar las computadoras personales con PC-DOS como sistema operativo, empezando así una nueva era, donde las computadoras estaban al alcance de todos. Las computadoras portátiles, las computadoras vestibles, y los modelos no comerciales que son tan pequeños como una moneda de un centavo. Actualmente, las computadoras portá- tiles, los asistentes personales digitales PDA (Personal Digital Assistant por sus siglas en inglés) y los teléfonos celulares, se caracterizan por su reducido tamaño y portabilidad; y. En el futuro, las computadoras usables ("Body wearable computers" en inglés), integradas en el espacio personal del usuario o de la usuaria, reemplazarán a todos los dispositivos mencionados en el párrafo anterior, y serán tan o aún mas populares. Estas computadoras requieren componentes aún más pequeños que los actuales. [3]
Características: -Cada qubit llega a estar en múltiples estados en un mismo instante.
-Se reduce exponencialmente el tiempo empleado por los algoritmos actuales. -Teletransportación cuántica enviar qubits.
Posibilidad de transmitir qubits sin
Algunos cientificos publicaron resultados sobre la transmisión de información cuántica, usando la luz como vehículo, a distancias de 100 km. Las computadoras cuánticas funcionan mediante la manipulación de objetos cuánticos como, por ejemplo, los fotones individuales, electrones o átomos y por el aprovechamiento de las características cuánticas exclusivas. Las computadoras cuánticas no solo prometen un espectacular aumento en la velocidad sobre las computadoras clásicas en una variedad de tareas de cálculo, sino que además están diseñadas para completar las tareas que incluso una supercomputadora no sería capaz de manejar. Si bien, en los recientes años, ha habido un rápido desarrollo en la tecnología cuántica, la realización de una computadora cuántica de tamaño completo es aún un gran reto. Aunque es todavía una emocionante cuestión abierta que la arquitectura y los objetos cuánticos finalmente darán lugar al rendimiento superior de las supercomputadoras convencionales, los experimentos actuales muestran que algunos objetos cuánticos están mejor adecuados que otros para determinadas tareas computacionales. Los resultados han sido publicados en la prestigiosa revista científica “Nature Photonics”.
Aplicaciones Gracias a una tecnología híbrida, es posible realizar una transmisión muy fiable de bits cuánticos fotónicos, como se ha demostrado en un experimento cuyos resultados han sido analizados cuidadosamente. En la teleportación cuántica se transfieren estados cuánticos arbitrarios desde un emisor, hasta un receptor, que está alejado en el espacio. Esto requiere que inicialmente compartan un estado de entrelazamiento cuán- tico a través del espacio que les separa, un entrelazamiento cuántico que puede por ejemplo estar en la forma de fotones entrelazados cuánticamente. El concepto de entrelazamiento cuántico fue formulado por primera vez por Erwin Schrödin- ger, y describe una situación en la que dos sistemas cuánticos, como por ejemplo dos partículas de luz, están en un estado conjunto, por lo que
sus comportamientos son mutuamente dependientes a un nivel mayor del que es posible normalmente (bajo condiciones clásicas). En el experimento de Tokio, se consiguió el entrelazamiento continuo mediante la estrategia de entrelazar muchos fotones en "parejas". Fotonica: Historia La enorme ventaja de los fotones - un tipo particular de bosones radica en su alta movilidad. El equipo de investigación de la Universidad de Viena (Austria) en colaboración con científicos de la Universidad de Jena (Alemania) han dado cuenta recientemente de una así llamada computadora de muestreo del bosón que utiliza precisamente esta característica de los fotones. Se insertan los fotones en una red óptica compleja donde puedan propagarse a lo largo de muchas rutas diferentes. “De acuerdo con las leyes de la física cuántica, los fotones parecen tomar todos las rutas posibles a la vez. Esto se conoce como superposición. Sorprendentemente, se pueden registrar los resultados del cálculo y no trivialmente: Se mide el número de fotones de salida en lo que es el rendimiento de la red “, explica Philip Walther de la Facultad de Física. Características: Como su nombre lo indica, la computación fotónica se basa en el procesamiento de fotónes. Estos se mueven en paquetes o quantums, no en pulsos secuenciales como las señales electromagnéticas. Además, las propiedades físicas de los fotones les permiten comportarse tanto como onda y como partícula al mismo tiempo. Esto significa que como particula cargan consigo un estado, y como onda viajan tan rápido que es como si estuvieran en varios sitios al mismo tiempo. Cada fotón posee propiedades de estado espacio-temporales que pueden medirse. El spín rotacional de cada fotón puede acarrear un dato computacional, y este puede tener 4 estados registrables de orientación y polaridad, que en datos sería un Q-bit de información. para la computación fotónica los datos estarían almacenados como una impresión holográfica en un material sensible a la luz. Un material cristalino puede almacenar varios qbits en cada molecula que lo componga, sin partes ensambladas. Estas características de almacenamiento dotarán a los computadores cuánticos la capacidad no solo de almacenar imagenes digitales
tridimencionales(0) de altísima resolución sino también almacenar y procesar información en forma analógica. El diseño de estos dispositivos de almacenamiento se basarían en la física del estado solido y la cristalografía. La nanotecnología se emplearía para configurar compuertas y filtros de luz a nivel(0) molecular. Los materiales empleados en estos dispositivos serían sin duda más económicos que los de la electrónica. Materiales como el cuarzo, silicio, e incluso compuestos orgánicos serían empleados en esta tecnología.
Aplicaciones El potencial de esta tecnología fotónica será abismalmente superior al tope de la electrónica actual. Ya hemos sido testigos de algunos pequeños avances que apenas son la punta del Iceberg:(0) Los dispositivos de almacenamiento ópticos como los DVD superan miles de veces la capacidad de los medios de almacenamiento magnético. Y también en el campo de las telecomunicaciones los canales de fibra óptica son capaces(0) de transmitir millones de veces mas información que los canales electromagnéticos con casi ninguna interferencia. La realidad es que esta revolución ya nos alcanzó y nos cogió de sorpresa. El supuesto indeterminismo de los computadores cuánticos es cuento del pasado. Los computadores fotónicos son muy precisos y confiables, tanto o más que los electrónicos. La NASA y Universidades(0) como el MIT y Standford ya han venido experimentando con esta tecnología desde hace 2 décadas. En el año 1989 ya se logró con éxito la construcción del primer transistor fotónico. Se sabe que el Internet 2, la GRID, está basada(0) en esta tecnolo gía. Los switches y routers basados en optoelectrónica y los m edios de fibra optica permiten lograr velocidades espantosas en la transmisión de información. En esta red de internet2 ya es posible transferir un blueray completo en tan solo 10 segundos. Un investigador afirmó que transferir 1 giga de datos de EEUU a europa es cientos de veces más rapido que transferir esa giga dentro del bus de datos de un PC de ultima generación, desde la GPU(0) a la memoria del sistema.
Y varias corporaciones de la industria digital ya e stán desarrollando proyectos basados en esta tecnología. Sony, Microsoft, IBM son algunas por mencionar. Estas ya contemplan del potencial de esta tecnología, que permitirá brindar un servicio de medios de alta definición. En las comunicaciones de fibra optica del Internet 2 se podrá transferir películas holográficas 4D en tiempo real al instante. El panorama del Internet2 que nos tienen preparado estas corporaciones es el de una Nube de computación centralizada la cuál brindará todos los servicios informáticos y de entretenimiento que la gente necesite. Aunque este servicio no sería una red de computadoras sino mas bien parecido a un servicio de TV interactiva por subscripción. Los usuarios solo requerirían de terminales(0) brutas como un televisor digital LCD o Plasma con su codificador para acceder a la gran red de información y disfrutar de video-juegos de última generación, películas calidad Full-HD al instante, y comunicación con video y voz en alta definición. De hecho ya contemplan renderizadores holográficos en vez de pantallas de dos dimensiones. Y la computación independiente y personal(0) que? la harán desaparecer con el pretésto de obsolencia. Las personas ya no tendrían a donde descargar el contenido de la red ni manipularían archivos en sus propios PC, porque la GRID brindará toda la información que necesitan. Todo programa funcionaría en el computador central, y todos los datos personales de la gente estará almacenada en la GRID central. Paulatinamente desmantelarían todos los HUB y servidores del internet antíguo para dar paso a esta red óptica de terminales brutas. Esto implica que se acabará la piratería de medios y de software porque los usuarios no tendrán como descargar y decodificar la información para reproducirla(0) en otros equipos. Ningún equipo personal tendrá la capacidad de reproducir el contenido de la GRID, porque requerirían(0) una tecnología tan avanzada como el computador óptico central. Toda información será con trolada y regulada, y podrían generar cobro por el acceso a ciertos sitios web, por la lectura de un texto, por escuchar una canción sin posibilidad de fraude o robo. Y cabe aclarar que estos canales de fibra óptica son inviolables. Es prácticamente imposible para un hacker atentar contra la seguridad del sistema porque no podría descifrar la información proveniente d e los canales. Y por qué será?
Porque la seguridad de las comunicaciones de fibra óptica se basan en un principio de la física cuántica: El principio de(0) incertidumbre de Heisenberg. Este principio afirma que el estado observable de las particulas depende del observador. Lo que significa que la información de los fotones es determinada por el emisor y proyectada a su futuro estado hasta su recepción. Si un tercer observador (hacker) se atreve a intersectar las señales estas cambiarían su estado original perdiendo toda la información.
