computadoras moleculares, cuanticas y fotonica

8/12/2019 Computadoras Moleculares, Cuanticas y Fotonica

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1. Computadoras moleculares, cunticas y fotonicas.

Moleculares:

Historia

Probablemente la primera vez que fue mencionada la computacin sub-

microscpica fue en la charlaHay Espacio de sobra all abajo, por elfsicoRichard Feynman.

Leonard Adleman,de laUniversidad del Sur de California inici el estudio

en este campo, en1994 . Adleman prob la utilidad, al menos terica, del

uso del ADN para resolver problemas. En particular, logr resolver

elProblema 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 variasMquinas de Turing.

Esta es una tecnologa todava en etapas bastante tempranas, por lo cual su

uso existe ms que nada como una opcin terica. Todava usarcomputacin convencional es una opcin ms eficiente que usar este

mtodo.

Caractersticas

Tamao menor.

Ms rpidas.

Almacenan ms informacin que cualquier chip de una computadora

convencional.

Ms de 10 trillones de molculas de ADN podran ocupar no ms de

1 cm cbico. Con esto, una computadora de ADN podra contener 10

TB de datos y una capacidad de 10 y trillones de procesos de clculo

al mismo tiempo.

Los ordenadores moleculares resuelven problemas complejos

rpidamente.

A diferencia de los ordenadores convencionales ms rpidos, se

obtiene una mayor velocidad de ejecucin, llegando incluso a ser

100.000 veces ms rpidos que los tradicionales. La razn es que las

reacciones qumicas ocurren muy rpido y en paralelo, as que lasmolculas de ADN sintetizadas con una estructura qumica, que

representa informacin numrica, jugarn con una gran cantidad de

nmeros tal como procede en una reaccin.

Para llevar a cabo los clculos los ordenadores ADN, que

representan la informacin en trminos de las unidades qumicas de

ADN, requieren sintetizar series especficas de ADN y permitirles
http://en.wikipedia.org/wiki/There%27s_Plenty_of_Room_at_the_Bottomhttp://es.wikipedia.org/wiki/Richard_Feynmanhttp://es.wikipedia.org/wiki/Leonard_Adlemanhttp://es.wikipedia.org/wiki/Universidad_del_Sur_de_Californiahttp://es.wikipedia.org/wiki/1994http://es.wikipedia.org/wiki/Problema_del_ciclo_hamiltonianohttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_Turinghttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_Turinghttp://es.wikipedia.org/wiki/Problema_del_ciclo_hamiltonianohttp://es.wikipedia.org/wiki/1994http://es.wikipedia.org/wiki/Universidad_del_Sur_de_Californiahttp://es.wikipedia.org/wiki/Leonard_Adlemanhttp://es.wikipedia.org/wiki/Richard_Feynmanhttp://en.wikipedia.org/wiki/There%27s_Plenty_of_Room_at_the_Bottom


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reaccionar en una probeta; a diferencia de los convencionales, que

realizan los clculos mediante un programa que maneja la

informacin, representada fsicamente, reflejndose en el flujo de

electrones a travs de los circuitos lgicos.

Tambin contribuye a la configuracin de este modelo la capacidad

de procesamiento, y es que estos ordenadores son increblemente

ligeros, ya que aproximadamente con 1/2 Kg de ADN se obtiene ms

poder de procesamiento que con cualquiera de los ordenadores

actuales.

De esta composicin se deduce que la coleccin de molculas aporta

al diseo del nuevo ordenador las caractersticas internas de hmedo

y fluido en cuanto afecta a la unidad de procesamiento y memoria,

por lo que debe prestarse atencin al PH, la temperatura y las

concentraciones de sal, como condiciones qumicas que influirn en

una ptima ejecucin de los procesos. Codificacin natural

Los ordenadores ADN usan base 4 para representar los datos

(adenina, tiamina, guanina y citosina), mientras que los ordenadores

electrnicos usan base 2 en la forma de ceros y unos. Las bases de

nitrgeno de ADN (A, T, G y C) son parte de los bloques bsicos de

construccin de la vida; usando estas cuatro letras, el ADN almacena

la informacin que es manipulada por los organismos vivos casi

exactamente de la misma manera que los ordenadores trabajan a

travs de cadenas de ceros y unos.

La habilidad del emparejamiento de molculas de ADN es lo que

permite que se usen como modelo de datos abstracto en el

laboratorio. Cada porcin de datos se puede sintetizar mediante una

nica serie de ADN. El ADN forma una doble hlice dos hebras

de material: cada una envuelve a la otra, que se debe

principalmente a la atraccin de los elementos individuales de cada

hebra con los homlogos de su vecino. Los vnculos entre hebras

estn formados por cuatro aminocidos (A, T, G y C). Cada

aminocido enlazar favorablemente slo con uno de los otros. Los

pares fuertes son A-T y G-C. El resto de enlaces son demasiadodbiles para mantenerlos durante mucho tiempo .

Aplicacin

Nano-Fabricacin y autoemblaje de ADN. Se puede autoensablar el

ADN en enredados de dos y tres dimensiones. Estas estructuras


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pueden utilizarse para la codificacin de clculos en formas ms

complejas.

Problemas NP-Completos. Estos problemas requieren mucha

bsqueda combinatoria para llegar a la solucin y tambin se tiene

que comprobar si la solucin es la correcta. Estos problemas se

resuelven gran cantidad de soluciones potenciales y cada solucin se

codifica en una molcula del ADN y a travs de operaciones sobre el

ADN recombinante se llegan a las soluciones correctas.

Aumento de la capacidad de memoria.

Procesamiento Paralelo. Clculos en los que cada estado de un

procesador se represeta por una hebra de ADN. Por ello podemos

guardar en 1l de solucin ADN aproximandamente unos 1000

procesadores.

Hasta el momento este modelo tan reciente ha encontrado aplicacin

en los campos de la biologa, la qumica, la medicina, como tambinen el de la informtica en cuanto a seguridad de la informacin se

refiere, como muestran los buenos resultados obtenidos en los

sistemas de encriptacin.

Por otra parte la similitud entre las operaciones biolgicas y

matemticas, junto a las caractersticas del ADN de estabilidad y

predecibilidad en las reacciones, proporcionan la base para la

codificacin de la informacin en sistemas matemticos. Por tanto,

una vez codificada la informacin matemtica, se podran resolver

problemas combinatorios de complejidad exponencial gracias a la

capacidad de los ordenadores ADN de ser masivamente paralelos,

contemplando as la posibilidad de trabajar problemas intratables, es

decir aquellos en los que el lapso de tiempo para el clculo crece

exponencialmente con el tamao de tales casos.

Cunticas:

Historia

Cuando tericos tales como Richard Feynmann, del Ca- lifornia

Institute of Technology, de Pasadena (California); Paul Benioff, de

Argonne National Laboratory, en Illinois; David Deutsch, delaUniversidad de Oxford, enInglaterra, y Charles Bennett, del T.J.

Watson Research Center de IBM en Yorktown Heights (Nueva

York), propusieron por primera vez elconcepto de las computadoras

cunticas en las dcadas de

1970 y 1980, muchos cientficos dudaron que alguna vez ese tipo

decomputadorapudiera resultar prctica. Pero en 1994, Peter Shor,
http://www.monografias.com/trabajos13/admuniv/admuniv.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos6/laerac/laerac.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos10/teca/teca.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/computadoras/computadoras.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/computadoras/computadoras.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos10/teca/teca.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos6/laerac/laerac.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos13/admuniv/admuniv.shtml


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de AT and T Research, describi unalgoritmo cuntico

especficamente diseado para factorizar nmeros grandes y

exponencialmente ms rpido que las computadoras convencionales,

lo suficientemente rpido como para burlar laseguridad de muchos

criptosistemas de clave pblica. El potencial del algoritmo de Shor

alent a muchos cientficos a tratar de explotar las capacidades de las

computadoras cunticas. En los ltimos aos,

variosgrupos deinvestigacin de todo el mundo han alcanzado

progresos significativos en este campo.

No hace mucho tiempo, se inici la era digital, con modelos

electrnicos basados inicialmente en tubos de vaco y luego en

transistores. La EDVAC fue la primera computadora electrnica

digital, su memoria consista en lneas de mercurio dentro de un tubo

de vidrio al vaco, donde se poda almacenar ceros y unos. Eltransistor, es el invento que ms ha influenciado en la evolucin de

las computadoras, este fue concebido en 1948, por tres cientficos 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 ms pequeas. A comienzos de la

dcada de los 80

IBM empez a desarrollar las computadoras personales con PC-DOS

como sistema operativo, empezando as una nueva era, donde las

computadoras estaban al alcance de todos. Las computadorasporttiles, las computadoras vestibles, y los modelos no comerciales

que son tan pequeos como una moneda de un centavo. Actualmente,

las computadoras port- tiles, los asistentes personales digitales PDA

(Personal Digital Assistant por sus siglas en ingls) y los telfonos

celulares, se caracterizan por su reducido tamao y portabilidad; y.

En el futuro, las computadoras usables ("Body wearable computers"

en ingls), integradas en el espacio personal del usuario o de la

usuaria, reemplazarn a todos los dispositivos mencionados en el

prrafo anterior, y sern tan o an mas populares. Estas

computadoras requieren componentes an ms pequeos que los

actuales. [3]

Caractersticas:

-Cada qubit llega a estar en mltiples estados en un mismo instante.
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-Se reduce exponencialmente el tiempo empleado por los algoritmos

actuales.

-Teletransportacin cuntica Posibilidad de transmitir qubits sin

enviar qubits.

Algunos cientificos publicaron resultados sobre la transmisin de

informacin cuntica, usando la luz como vehculo, a distancias de

100 km.

Las computadoras cunticas funcionan mediante la manipulacin de

objetos cunticos como, por ejemplo, los fotones individuales,

electrones o tomos y por el aprovechamiento de las caractersticas

cunticas exclusivas. Las computadoras cunticas no solo prometen

un espectacular aumento en la velocidad sobre las computadoras

clsicas en una variedad de tareas de clculo, sino que adems estndiseadas para completar las tareas que incluso una

supercomputadora no sera capaz de manejar.

Si bien, en los recientes aos, ha habido un rpido desarrollo en la

tecnologa cuntica, la realizacin de una computadora cuntica de

tamao completo es an un gran reto.

Aunque es todava una emocionante cuestin abierta que la

arquitectura y los objetos cunticos finalmente darn lugar al

rendimiento superior de las supercomputadoras convencionales, los

experimentos actuales muestran que algunos objetos cunticos estn

mejor adecuados que otros para determinadas tareascomputacionales. Los resultados han sido publicados en la

prestigiosa revista cientfica Nature Photonics.

Aplicaciones

Gracias a una tecnologa hbrida, es posible realizar una transmisin

muy fiable de bits cunticos fotnicos, como se ha demostrado en un

experimento cuyos resultados han sido analizados cuidadosamente.

En la teleportacin cuntica se transfieren estados cunticos

arbitrarios desde un emisor, hasta un receptor, que est alejado en el

espacio. Esto requiere que inicialmente compartan un estado de

entrelazamiento cuntico a travs del espacio que les separa, un

entrelazamiento cuntico que puede por ejemplo estar en la forma de

fotones entrelazados cunticamente. El concepto de entrelazamiento

cuntico fue formulado por primera vez por Erwin Schrdin- ger, y

describe una situacin en la que dos sistemas cunticos, como por

ejemplo dos partculas de luz, estn en un estado conjunto, por lo que


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sus comportamientos son mutuamente dependientes a un nivel mayor

del que es posible normalmente (bajo condiciones clsicas). En el

experimento de Tokio, se consigui el entrelazamiento continuo

mediante laestrategia 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 investigacin de la

Universidad de Viena (Austria) en colaboracin con cientficos de la

Universidad de Jena (Alemania) han dado cuenta recientemente de

una as llamada computadora de muestreo del bosn que utiliza

precisamente esta caracterstica de los fotones.

Se insertan los fotones en una red ptica compleja donde puedan

propagarse a lo largo de muchas rutas diferentes. De acuerdo con

las leyes de la fsica cuntica, los fotones parecen tomar todos lasrutas posibles a la vez. Esto se conoce como superposicin.

Sorprendentemente, se pueden registrar los resultados del clculo y

no trivialmente: Se mide el nmero de fotones de salida en lo que es

el rendimiento de la red , explica Philip Walther de la Facultad de

Fsica.

Caractersticas:

Como su nombre lo indica, la computacin fotnica se basa en el

procesamiento de fotnes. Estos se mueven en paquetes o quantums,

no en pulsos secuenciales como las seales electromagnticas.

Adems, las propiedades fsicas de los fotones les permitencomportarse tanto como onda y como partcula al mismo tiempo.

Esto significa que como particula cargan consigo un estado, y como

onda viajan tan rpido que es como si estuvieran en varios sitios al

mismo tiempo.

Cada fotn posee propiedades de estado espacio-temporales que

pueden medirse. El spn rotacional de cada fotn puede acarrear un

dato computacional, y este puede tener 4 estados registrables de

orientacin y polaridad, que en datos sera un Q-bit de informacin.

para la computacin fotnica los datos estaran almacenados como

una impresin hologrfica en un material sensible a la luz. Un

material cristalino puede almacenar varios qbits en cada molecula

que lo componga, sin partes ensambladas.

Estas caractersticas de almacenamiento dotarn a los computadores

cunticos la capacidad no solo de almacenar imagenes digitales
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tridimencionales(0) de altsima resolucin sino tambin almacenar y

procesar informacin en forma analgica.

El diseo de estos dispositivos de almacenamiento se basaran en la

fsica del estado solido y la cristalografa. La nanotecnologa se

empleara para configurar compuertas y filtros de luz a nivel(0)

molecular.

Los materiales empleados en estos dispositivos seran sin duda ms

econmicos que los de la electrnica. Materiales como el cuarzo,

silicio, e incluso compuestos orgnicos seran empleados en esta

tecnologa.

Aplicaciones

El potencial de esta tecnologa fotnica ser abismalmente superior altope de la electrnica actual. Ya hemos sido testigos de algunos

pequeos avances que apenas son la punta del Iceberg:(0) Los

dispositivos de almacenamiento pticos como los DVD superan

miles de veces la capacidad de los medios de almacenamiento

magntico. Y tambin en el campo de las telecomunicaciones los

canales de fibra ptica son capaces(0) de transmitir millones de veces

mas informacin que los canales electromagnticos con casi ninguna

interferencia.

La realidad es que esta revolucin ya nos alcanz y nos cogi de

sorpresa. El supuesto indeterminismo de los computadores cunticoses cuento del pasado. Los computadores fotnicos son muy precisos

y confiables, tanto o ms que los electrnicos.

La NASA y Universidades(0) como el MIT y Standford ya han

venido experimentando con esta tecnologa desde hace 2 dcadas. En

el ao 1989 ya se logr con xito la construccin del primer

transistor fotnico.

Se sabe que el Internet 2, la GRID, est basada(0) en esta tecnologa.

Los switches y routers basados en optoelectrnica y los medios de

fibra optica permiten lograr velocidades espantosas en la transmisin

de informacin.

En esta red de internet2 ya es posible transferir un blueray completo

en tan solo 10 segundos. Un investigador afirm que transferir 1 giga

de datos de EEUU a europa es cientos de veces ms rapido que

transferir esa giga dentro del bus de datos de un PC de ultima

generacin, desde la GPU(0) a la memoria del sistema.


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Y varias corporaciones de la industria digital ya estn desarrollando

proyectos basados en esta tecnologa. Sony, Microsoft, IBM son

algunas por mencionar. Estas ya contemplan del potencial de esta

tecnologa, que permitir brindar un servicio de medios de alta

definicin. En las comunicaciones de fibra optica del Internet 2 se

podr transferir pelculas hologrficas 4D en tiempo real al instante.

El panorama del Internet2 que nos tienen preparado estas

corporaciones es el de una Nube de computacin centralizada la cul

brindar todos los servicios informticos y de entretenimiento que la

gente necesite. Aunque este servicio no sera una red de

computadoras sino mas bien parecido a un servicio de TV interactiva

por subscripcin. Los usuarios solo requeriran de terminales(0)

brutas como un televisor digital LCD o Plasma con su codificador

para acceder a la gran red de informacin y disfrutar de video-juegos

de ltima generacin, pelculas calidad Full-HD al instante, ycomunicacin con video y voz en alta definicin.

De hecho ya contemplan renderizadores hologrficos en vez de

pantallas de dos dimensiones.

Y la computacin independiente y personal(0) que? la harn

desaparecer con el pretsto de obsolencia. Las personas ya no

tendran a donde descargar el contenido de la red ni manipularan

archivos en sus propios PC, porque la GRID brindar toda la

informacin que necesitan. Todo programa funcionara en el

computador central, y todos los datos personales de la gente estar

almacenada en la GRID central. Paulatinamente desmantelarantodos los HUB y servidores del internet antguo para dar paso a esta

red ptica de terminales brutas.

Esto implica que se acabar la piratera de medios y de software

porque los usuarios no tendrn como descargar y decodificar la

informacin para reproducirla(0) en otros equipos. Ningn equipo

personal tendr la capacidad de reproducir el contenido de la GRID,

porque requeriran(0) una tecnologa tan avanzada como el

computador ptico central. Toda informacin ser controlada y

regulada, y podran generar cobro por el acceso a ciertos sitios web,

por la lectura de un texto, por escuchar una cancin sin posibilidad

de fraude o robo.

Y cabe aclarar que estos canales de fibra ptica son inviolables. Es

prcticamente imposible para un hacker atentar contra la seguridad

del sistema porque no podra descifrar la informacin proveniente de

los canales. Y por qu ser?


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Porque la seguridad de las comunicaciones de fibra ptica se basan

en un principio de la fsica cuntica: 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 informacin de los

fotones es determinada por el emisor y proyectada a su futuro estado

hasta su recepcin. Si un tercer observador (hacker) se atreve a

intersectar las seales estas cambiaran su estado original perdiendo

toda la informacin.

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