1

COMPUTADORAS CUNTICAS

El mundo cuntico tiene maravillosos y curiosos fenmenos que no se

presentan a escala macroscpica. Presentar una posible aplicacin.

Nanotecnologa

2

ndice

1. Introduccin .............................................................................................................................................................. 3

1.1 El carbono .......................................................................................................................................................... 3

2. FULLERENO ............................................................................................................................................................... 3

2.1 DESCUBRIMIENTO .............................................................................................................................................. 3

2.2 PREPARACIN DE LOS FULLERENOS .................................................................................................................... 4

2.3 POR QU SE LLAMAN FULLERENO Y FULLERENOS? ............................................................................................ 6

3. NANOTUBOS Y ESPECIES RELACIONADAS .................................................................................................................. 6

3.1 ALGUNAS APLICACIONES DE LOS NANOTUBOS ................................................................................................... 8

3.2 PROPIEDADES ELCTRICAS .................................................................................................................................. 9

4. GRAFENO .................................................................................................................................................................. 9

4.1 DESCUBRIMIENTO ............................................................................................................................................ 10

4.2 APLICACIONES EN ELECTRNICA ....................................................................................................................... 11

4.3 UTILIDAD DEL GRAFENO ................................................................................................................................... 11

4.4 APARIENCIA DEL GRAFENO ............................................................................................................................... 12

4.5 OBTENCIN DEL GRAFENO ............................................................................................................................... 12

5. Computadoras cunticas..14

5.1 El qubit14

5.2 Dispositivos electrnicos, el nanotransistor.15

5.3 Disco duro.17

5.4 Teletransportacin entre tomos.18

5.5 Monitores nuevos, Nanotecnologa Visual.18

5.6 Informacin cuntica.19

5.7 Desventajas.19

5.8 Ventajas.20

5.9 Conclusin.20

6. Glosario ..21

7.Bibliografa..21

1. INTRODUCCIN

1.1 El CARBONO

El carbono es un elemento distintivo. Se presenta en formas y colores distintos. Lo ms comn es

visualizarlo de color negro y frgil como el grafito, pero tambin puede encontrarse en forma

cristalina y duro como el diamante. As pues decimos que el carbono es un elemento altropo ya

que tratndose del mismo material sus propiedades cambian segn su estructura.

Recientemente se han descubierto nuevos materiales derivados del carbono, conocidos como

fullereno (C60), grafeno y nanotubos de carbono. Los cuales se abordaran a ms adelante,

llevndonos desde su descubrimiento, su nombre hasta sus aplicaciones.

2. FULLERENO

2.1 DESCUBRIMIENTO

La molcula de C60 se descubri en la Universidad de Susex, por el qumico britnico Harold Kroto y

su equipo, los cuales buscaban cadenas carbonadas largas poli-insaturadas vaporizando grafito por

medio de lser.

Esta molcula (C60) es la ms simtrica conocida, con 120 elementos de simetra entre los de

rotacin, reflexin, inversin y el propio centro de simetra.

Cabe mencionar que el C60 est cambiando el mundo ya que supone el origen de una nueva ciencia

y tecnologa: la Nanociencia 1- y la nanotecnologa. Ya que su dimensione es de C60, d 1 nm (10-9

m: la milmillonsima de metro).

1

Este desarrollo ha contribuido con el invento y posterior desarrollo de los microscopios de efecto

tnel, que no slo permiten hacer observaciones en el nanomundo sino, adems, llevar a cabo

manipulaciones de los nano-objetos y, en particular de tomos y molculas y iones.

1***una parte de la Ciencia que trata de los fenmenos que tienen lugar en la escala nanomtrica

(1 nm 109 m) habitualmente se consideran dentro de ella los objetos de dimensiones

comprendidas entre 1 y 100 nm, y una nueva tecnologa: la Nanotecnologa que utiliza esos

fenmenos y esos materiales para el desarrollo cientfico y tecnolgico, ver ms adelante.***

2.2 PREPARACIN DE LOS FULLERENOS

La preparacin en cantidades macroscpicas de estas molculas tuvo lugar posteriormente por

parte de Krashmer y Huffman 2 quienes prepararon fullerenos por el que hoy es el mtodo

estndar de sntesis: haciendo saltar un arco voltaico entre dos electrodos de grafito en una

atmsfera de helio, seguido de un proceso de extraccin en benceno. Figura 1 b.

El fullereno C60 y C70, no son las nicas molculas obtenidas de este proceso, sino que se trata de

toda una nueva familia de molculas cerradas en la que se puede deducir por consideraciones

geomtricas cul es la ms pequea, pero no cul sera la ms grande.

En efecto, de acuerdo con el Teorema de Euler, el nmero caracterstico, NC, de un poliedro

regular es dos e igual al nmero de vrtices ms el de caras menos el de aristas. De este modo, por

ejemplo, en el cubo, NC=8+6-12=2.

2

En el caso de los icosaedros hay dos tipos de caras, pentgonos y

hexgonos; el menor icosaedro es el pentagonal que tiene doce caras

y veinte vrtices, por lo que si en cada uno de estos hay un tomo de

carbono, la composicin de la molcula es C20. Experimentos llevados

a cabo por Prinzbach et al17 han conseguido a travs de un elaborado

proceso de sntesis, la preparacin de C20 que presenta, al menos cinco

ismeros, tres de los cuales se recogen en la Figura 2. De ellos, el de

tipo jaula (1) corresponde al menor fullereno posible. Una molcula

que no es particularmente estable

Como era de esperar, al cambiar el nmero de tomos de carbono

cambian notablemente las propiedades de los fullerenos, (conviene

recordar a este respecto que no hay dos especies qumicas iguales) y

como ejemplo de ello, en la Figura 3 se recoge un sencillo ejemplo del

color de varios fullerenos diferentes, en su solucin en benceno.

Figura 2

Figura 3

Figura 4

3

En cuanto al fullereno ms grande, no existe ninguna regla para determinarlo y se han predicho la

existencia de especies muy voluminosas como C240 que sera muy inerte debido a su amplio radio

de curvatura18. Por otra parte, la combinacin de hexgonos y pentgonos caracterstica de los

fullerenos, no es exclusiva de estas interesantes molculas y hace cerca de 100 aos, el

mineralogista Darcy Tompson describi19 muy interesantes ejemplos de radiolarias, protozoos de

esqueleto silceo formados por dichos polgonos en proporciones variables, Figura 4. Ver, no

obstante el apartado siguiente.

2.3 POR QU SE LLAMAN FULLERENO Y FULLERENOS?

Los fullerenos, como cada molcula, tienen un

nombre especfico que debe reflejar, en mayor

o menor medida, su estructura. En el caso del

C60, la realidad es que dicho nombre es

extremadamente complejo y, aunque riguroso,

poco prctico a la hora de utilizarlo en la vida

diaria. Por ello, los descubridores de la misma,

trataron de darle un nombre ms sencillo y

para ello tuvieron en cuenta la obra del

arquitecto norteamericano, de origen

canadiense, Richard Buckminster-Fuller (1895-

1983), Figura 5a y b. Este interesante filsofo y

humanista, pero sobre todo, figura

emblemtica de la arquitectura y el diseo del

siglo XX y clebre por sus cpulas construidas

sobre la base de pentgonos y hexgonos,

Figura 5c, parece el personaje ms adecuado para representar a esa familia de molculas que,

nada ms descubrirse se supuso muy acertadamente importante.

As pues, Kroto, Smalley y sus colaboradores denominaron al C60 buckminsterfullereno, que pronto

se abrevi a su definicin genrica actual de fullerenos y que si bien se escribe con doble l, la

antigua elle, se pronuncia fulerenos para respetar la fontica original.

A la vista del edificio representativo del Pabelln de los Estados Unidos en la Exposicin Universal

de Montreal, de 1967, quiz la obra ms conocida de Buckminster-Fuller, recogida en la Figura 5

podemos suponer, algo metafricamente, que este ser, con toda probabilidad, el fullereno ms

grande que llegue a fabricarse, ya que su dimensin ciclpea representa ms de diez rdenes de

magnitud la dimensin del C60.

Figura 5

4

3. NANOTUBOS Y ESPECIES RELACIONADAS

Sumio Ijima 3, un muy conocido microscopista

electrnico, decidi observar los electrodos de

grafito tras la fabricacin de fullerenos. Esa

curiosidad le permiti descubrir unas especies

qumicas carbonadas de estructura tubular y

dimensiones nanomtricas, Figura 6 a, que se

denominan nanotubos; al tratarse de especies

cilndricas o cnicas concntricas, el haz de

electrones da lugar a imgenes de lneas

equidistantes o convergentes, como sugiere la

Figura 6 b.

Especies anlogas se conocan, sin embargo, hace ms de cien

aos! Cuando Hughes and Chambers haban patentado y

Schtzenberger and Schtzenberger publicado26 la preparacin

de unas especies de carbn filamentoso que, tras su

observacin en el microscopio electrnico por Radushkevich and

Lukyanovich in 1950, Figuras 7 a y b, resultan ser lo que ahora

se denominan nanotubos NT (nanotubes: NT).En la Figura 7 c

pueden apreciarse las estrechas relaciones entre el grafito y los

nanotubos que, de hecho, pueden derivarse formalmente del

arrollamiento sobre s misma de una o varias capas concntricas

de grafito. Y pueden ser abiertos por ambos lados, por solo uno,

o cerrados, lo que requiere de la presencia de pentgonos para

conseguir el cierre de las cpulas de los extremos.

Por cierto que, a una capa individual de grafito (esto es de un

tomo de espesor) se la denomina grafeno Figura 7 d y constituye, en el

momento actual, uno de los temas de ms inters en el estudio tanto terico como experimental,

de la materia condensada27.

Figura

17

Figura 6

7

5

Volviendo a los nanotubos cabe sealar que por la

diferencia observada en sus propiedades se

distinguen dos tipos: Nanotubos monopared

NTMoP (Single walled nanotubes: SWNT) y

nanotubos multipared NTMuP (multiwalled

nanotubes: MWNT)28.

Con relacin a los primeros, que resultan como

decamos de arrollar sobre s misma una lmina de

grafeno, pueden ser de tres tipos, dependiendo del

ngulo de arrollamiento: en zig-zag, de hlice o

quiral y en forma de silla, Figura 8. De ello resulta

adems la naturaleza de sus propiedades

electrnicas, siendo los de tipo silla metlicos y

semiconductores los de hlice. A menudo, y

debido a las fuerzas de van der Waals, los

nanotubos se asocian en agregados o manojos,

dando lugar a cuerdas Figura 9.

Figura 9

Figura 8

6

En cuanto a los nanotubos

multipared, presentan unas

propiedades extraordinarias debido a

su tambin extraordinaria estructura

y a la fortaleza del enlace: Se trata de

materiales anisotrpicos y en la

direccin del eje tienen propiedades

mucho ms interesantes que en su

deformacin radial. En trminos de

deformacin, se trata de los

materiales con mayor lmite elstico

o resistencia a la traccin, 63 GPa, y

muy elevada rigidez, esto es

resistencia a la deformacin,

descubiertos hasta ahora. Por lo que

se pueden plegar, Figura 10.

En cuanto a los nanotubos

multipared, presentan unas

propiedades extraordinarias debido a

su tambin extraordinaria estructura

y a la fortaleza del enlace: Se trata de

materiales anisotrpicos y en la

direccin del eje tienen propiedades mucho ms interesantes que en su deformacin radial. En

trminos de deformacin, se trata de

los materiales con mayor lmite

elstico o resistencia a la traccin, 63

GPa, y muy elevada rigidez, esto es

resistencia a la deformacin,

descubiertos hasta ahora. Por lo que

se pueden plegar, Figura 11.

Figura 10

Figura 11

7

3.1 ALGUNAS APLICACIONES DE LOS NANOTUBOS

Una de las primeras aplicaciones de los nanotubos de carbono fue la construccin de un nano-

termmetro con galio como lquido termomtrico, Figura 15 a, lo que permitira su utilizacin en

un amplio margen de temperatura: en principio entre 30 y 2403 C. Puede observarse que el

aumento de la temperatura produce un apreciable incremento en la altura de la columna, y que

existe una correlacin lineal, Figura 15 d. Adems el fenmeno es reversible.

De entre las muchas aplicaciones qumicas de estas interesantes especies que son los nanotubos,

sealaremos su utilizacin como soporte de catalizadores. En este caso, se puede distinguir entre

lo exodrico, con el catalizador depositado en el exterior del nanotubo, esto es en su superficie, lo

que es esencialmente igual a un catalizador habitual, o endodrico, cuando las partculas

metlicas estn situadas en el interior del nanotubo, Un ejemplo ilustrativo de ello es la reaccin

del monxido de carbono y el hidrgeno que, en presencia de rodio, da lugar a la produccin de

etanol29:

3.2 PROPIEDADES ELCTRICAS

Los nanotubos se caracterizan por presentar una gran complejidad electrnica, si tenemos en

cuenta las reglas cunticas que rigen la conductividad elctrica con el tamao y la geometra de

stos. Estas estructuras pueden comportarse, desde un punto de vista elctrico, en un amplio

margen de formas, comenzando por el comportamiento semiconductor hasta presentar, en

algunos casos, superconductividad. Este amplio margen de conductividades viene dado por

relaciones fundamentalmente geomtricas, es decir, en funcin de su dimetro, torsin

(quiralidad) y el nmero de capas de su composicin. As, por ejemplo, existen nanotubos rectos

(armchair y zigzag) en los que las disposiciones hexagonales, en las partes extremas del tubo, son

siempre paralelas al eje. Esta distribucin, en funcin del dimetro, permite que dos tercios de los

nanotubos no quirales sean conductores y el resto semiconductores. En el caso de los nanotubos

quirales, los hexgonos tienen un cierto ngulo con respecto al eje del tubo, es decir, la

distribucin de los hexgonos laterales que conforman la estructura presenta con respecto al eje

central del tubo un enrollamiento de carcter helicoide. Este tipo de conformacin dificulta el

paso de los electrones a los estados o bandas de conduccin, por lo que, aproximadamente, tan

slo un tercio de los nanotubos presenta conduccin apreciable y siempre en funcin del ngulo

de torsin.

Hay que destacar que los nanotubos superconductores se podran utilizar para el estudio de

efectos cunticos fundamentales en una dimensin, as como para la bsqueda de aplicaciones

prcticas en la informtica cuntica molecular. Esto es debido a que pueden actuar como

8

conductores cunticos, es decir, si se representa el voltaje, o diferencia de potencial frente a la

intensidad de corriente no se obtiene una lnea recta, sino escalonada. Como se ha dejado

entrever, estas estructuras tienen multitud de propiedades elctricas. En cuanto a la capacidad

para transportar corriente, se sabe que puede llegar a cantidades de, aproximadamente, mil

millones de A/cm2, mientras que los alambres de cobre convencionales se funden al llegar a

densidades de corriente del orden del milln de A/cm2. Conviene precisar que todas estas

propiedades no dependen del largo del tubo, a diferencia de lo que ocurre en los cables de uso

cotidiano.

4. GRAFENO

El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con tomos dispuestos en un patrn

regular hexagonal similar al grafito, pero en una hoja de un tomo de espesor. Es muy ligero, una

lmina de 1 metro cuadrado pesa tan slo 0,77 miligramos.

Es un altropo del carbono, un teselado hexagonal plano (como panal de abeja) formado por

tomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a partir de la superposicin de los

hbridos sp2 de los carbonos enlazados.

El Premio Nobel de Fsica de 2010 se le otorg a Andry Gueim y a Konstantn Novosilov por sus

revolucionarios descubrimientos acerca de este material.1 2

Mediante la hibridacin sp2 se explican mejor los ngulos de enlace, a 120, de la estructura

hexagonal del grafeno. Como cada uno de los carbonos contiene cuatro electrones de valencia en

el estado hibridado, tres de esos electrones se alojan en los hbridos sp2, y forman el esqueleto de

enlaces covalentes simples de la estructura.

El electrn sobrante se aloja en un orbital atmico de tipo p perpendicular al plano de los

hbridos. El solapamiento lateral de dichos orbitales da lugar a formacin de orbitales de tipo .

Algunas de estas combinaciones propician un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre

todos los tomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.

El nombre proviene de intercambio en el vocablo grafito de sufijos: ito por eno: propio de

los carbonos con enlaces dobles. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse una pila

de gran cantidad de lminas de grafeno superpuestas.3 Los enlaces entre las distintas capas de

grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e interacciones de los orbitales de los

tomos de carbono.

Estructura cristalina del grafito. Se ilustran las interacciones de las diversas capas de anillos

aromticos condensados.

En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 142 pm

(picmetros). Es el componente estructural bsico de todos los dems elementos grafticos,

incluidos el propio grafito, los nanotubos de carbono y los fullerenos.

9

A esta estructura tambin se le puede considerar una molcula aromtica extremadamente

extensa en las dos direcciones espaciales. Es decir, sera el caso lmite de una familia de molculas

planas de hidrocarburos aromticos policclicos denominada grafenos.

Anteriormente, se han utilizado para el trmino grafeno descripciones como capas de grafito,

capas de carbono u hojas de carbono. [...] No es correcto utilizar, para una sola capa, un trmino

que incluya el trmino grafito, que implica una estructura tridimensional. El trmino grafeno debe

ser usado slo cuando se trata de las reacciones, las relaciones estructurales u otras propiedades

de capas individuales.

En este sentido, al grafeno se le ha definido como hidrocarburo aromtico policclico infinitamente

alternante de anillos de slo seis tomos de carbono. La molcula ms grande de este tipo

contiene 222 tomos de carbono o 37 unidades de benceno separadas.4

Las cifras de la oracin anterior son las contenidas en el resumen de la cita. Debera ser: 111

tomos de carbono y 111 tomos de hidrgeno o, ms simple, 222 tomos, lo cual resulta de 37 x

6 (tomos de carbono o de hidrgeno del benceno, de frmula C6H6) = 222, o bien: 18.5 anillos

de benceno: 18.5 x 12 (tomos del benceno) = 222.

La opcin de unidades fue para obtener una cifra redonda (37), y por consiguiente evitar la

expresin fraccionaria (18,5).

4.1 DESCUBRIMIENTO

El repentino aumento del inters cientfico por el grafeno puede dar la impresin de que se trata

de un material nuevo. En realidad se conoce y se ha descrito desde hace ms de medio siglo. El

enlace qumico y su estructura se describieron durante el decenio de 1930. P. R. (Philip Russell)

Wallace calcul por primera vez (en 1949) la estructura electrnica de bandas.11 Al grafeno se le

prest poca atencin durante dcadas al pensarse que era un material inestable

termodinmicamente ya que se pensaba que las fluctuaciones trmicas destruiran el orden del

cristal dando lugar a que el cristal 2D se fundiese. Bajo este prisma se entiende la revolucin que

signific que Novoselov y Geim consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra

grafeno se adopt oficialmente en 1994, despus de haber sido designada de manera indistinta

en el campo de la ciencia de superficies monocapa de grafito.

Adems, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono,

estn relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, a estos nanotubos se les ha descrito como

hojas de grafeno enrolladas sobre s mismas.12 De hecho las propiedades de los nanotubos de

carbono se explican y entienden fcilmente a partir de las inherentes al grafeno.13 14 Se ha

descrito tambin la preparacin de nanotiras de grafeno mediante nanolitografa, haciendo uso de

un microscopio de efecto tnel.15

10

4.2 APLICACIONES EN ELECTRNICA

Las propiedades del grafeno son ideales para utilizarlo como componente de circuitos integrados.

Est dotado de alta movilidad de portadores, as como de bajo nivel de ruido. Ello permite que

se le utilice como canal en transistores de efecto campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno

estriba en la produccin del mismo material en el sustrato adecuado. Investigadores estn

indagando mtodos tales como transferencia de hojas de grafeno desde grafito (exfoliacin) o

crecimiento epitaxial (como la grafitizacin trmica de la superficie del carburo de silicio: SiC).

En diciembre de 2008, IBM anunci que haban fabricado y caracterizado transistores que

operaban a frecuencias de 26 gigahercios (GHz).16 En febrero de 2010, la misma empresa anunci

que la velocidad de estos nuevos transistores alcanz los 100 GHz.17 En septiembre de 2010 se

alcanzaron los 300 GHz.18

Las publicaciones especializadas rebosan de artculos en los que se atribuye a esta estructura de

carbono cualidad de panacea universal en la tecnologa para reemplazo de dispositivos de silicio

por grafeno. Pero no toda la comunidad cientfica comparte este optimismo. El clebre fsico

holands Walter de Heer afirma:

El grafeno nunca reemplazar al silicio. Nadie que conozca el mundillo puede decir esto

seriamente. Simplemente, har algunas cosas que el silicio no puede hacer. Es como con los

barcos y los aviones. Los aviones nunca han reemplazado a los barcos.19

Adems, el grafeno carece de una banda de resistividad, propiedad esencial que le es inherente al

silicio. Eso implica que el grafeno no puede dejar de conducir electricidad: no se puede apagar.

4.3 UTILIDAD DEL GRAFENO

Para poder hacernos una idea de en cuntos campos distintos puede aplicarse el grafeno, es necesario

echar un vistazo a nuestro alrededor y ver todo lo que nos rodea. Ordenadores, coches, telfonos

mviles y equipos de msica son, por mencionar slo algunos de ellos, cosas que encontramos

frecuentemente en nuestra vida cotidiana en las que el grafeno se podra llegar a aplicar.

Por sus propiedades, el grafeno puede servir como material en la fabricacin de aviones, satlites

espaciales o automviles, hacindolos ms seguros. Tambin en la construccin de edificios, pues los

convertira en ms resistentes.

Pero, sobre todo, destacan sus aplicaciones en el campo de la electrnica, donde a travs de su

capacidad para almacenar energa puede dotar a las bateras de una mayor duracin y un menor tiempo

de carga, establecer conexiones ms rpidas e incluso contribuir a mejorar el medio ambiente

sustituyendo a materiales contaminantes que hoy en da nos vemos obligados a utilizar.

11

No hay que olvidar su relevancia en el mbito de la salud. Las prtesis de grafeno podran sustituir a

las actuales, de diversos materiales. O incluso se podra aplicar para mejorar el tratamiento de algunas

enfermedades.

Por todo esto, no es de extraar que se diga que su utilidad es prcticamente ilimitada y que las

barreras a su aplicacin nicamente son las de la imaginacin humana.

4.4 APARIENCIA DEL GRAFENO

El grafeno es un material que combina una gran cantidad de propiedades que no se dan juntas en

cualquier otro compuesto. Qu significa esto? Que es capaz de mejorar por completo las condiciones

de cualquier superficie donde se aplique.

Y es que es un material muy duro, resistente, flexible y muy ligero; lo que permite moldearlo segn

las necesidades de cada caso. Conduce muy bien tanto el calor como la electricidad; y permanece en

condiciones muy estables cuando se le somete a grandes presiones.

Su futuro en terrenos como la medicina se presenta realmente prometedor. Un ejemplo de en qu se

podra usar? En las mquinas con las que se realizan las radiografas. stas funcionan mediante

radiaciones ionizantes, unas formas de energa que hacen que los materiales que se encuentran a su

alrededor se desgasten muy pronto. Pues bien, el grafeno ofrecera una duracin casi infinita, por lo

que la inversin que habra que realizar en la adquisicin del material sera, a la larga, mucho menor.

Pero adems, el grafeno es capaz de generar electricidad a travs de la energa solar, lo que le

convierte en un material muy prometedor en el campo de las energas limpias. Para que te hagas una

idea de su potencial, si se construyeran con grafeno las placas solares, podran generar varias veces

ms energa por hora que las actuales. Ser este material una de las herramientas necesarias para

superar la crisis energtica que previsiblemente se desatar cuando se agoten las reservas de petrleo?

4.5 OBTENCIN DEL GRAFENO

Llegados a este punto, seguramente te preguntars por qu, si el grafeno tiene tantas cualidades y

ofrece tantos beneficios, no se emplea para mejorar nuestra calidad de vida.

La respuesta es sencilla. Para que conserve todas sus propiedades, el mineral ha de ser de la mayor

calidad posible. Con el mtodo tradicional de obtencin a base de deshojar el grafito con cinta

adhesiva, se consigue grafeno de muy alta calidad, pero la cantidad producida es mnima y resulta

insuficiente para su uso industrial.

12

Por otro lado, el empleo de otros mtodos para su obtencin, enfocados en aumentar la cantidad

producida, no consiguen un producto con la calidad suficiente.

Actualmente, se comercializa el grafeno bajo dos formas: En lmina y en polvo. En qu se

diferencian?

Grafeno en lmina: es de alta calidad y se emplea en campos como la electrnica, la informtica o

incluso la aeronutica, donde se requiere un material muy resistente. Su produccin es actualmente

muy costosa.

Grafeno en polvo: se usa en aquellos mbitos que no requieren de un material de alta calidad. Su

proceso de obtencin es ms barato y permite una mayor produccin del producto, pero renunciando

a parte de sus propiedades.

13

Capitulo III

5. Computadoras cunticas

La tecnologa suele mejorar con el tiempo, en algunos casos llega a hacerse ms pequeo. Esta idea

fue predicha por Gordon E. Moore, fundador de Intel, el cual nos dice que aproximadamente cada

dos aos se duplicara el nmero de transistores por unidad de rea. Esta ley tiene, desgraciadamente,

un lmite para la miniaturizacin de los dispositivos y ni siquiera es fsica sino terica.

Ley de moore

5.1 El qubit

Para entender un poco de lo que es qubit emperezaremos con un poco de mecnica cuntica. De

acuerdo con Schrdinger1, un electrn puede estar bsicamente en dos lados al mismo tiempo, y

propone un experimento mental para comprenderlo.

14

Tomas un gato y lo metes a una caja, totalmente aislado del exterior. En la caja se encuentran un

matraz lleno de cianuro y un mecanismo que es controlado por tomo de un material radioactivo que

puede descomponerse.

Al dejar pasar una hora existe un 50% de probabilidad de que el tomo se haya descompuesto, el

mecanismo rompiera el matraz con el cianuro y el gato estuviera muerto. Sin embrago puede que el

tomo no se hubiera descompuesto y el gato estuviera vivo. En este punto podramos decir que

simultneamente el gato est muerto y vivo. Al menos hasta que miremos dentro de la caja.

Este estado simultneo es conocido como principio de superposicin.

El qubit es, bsicamente un estado simultaneo tiene dos estados relativos llamados ket cero y ket uno

( y ). El electrn puede encontrarse en entre esos estados relativos, es decir, se comportara como

cero y uno.

Un arreglo de Qubits se comportara como un arreglo de computadoras trabajando en paralelo,

haciendo que su potencia de clculo fuera por mucho, mayor que cualquier computadora actual.

Qu es una computadora cuntica?

Una computadora cuntica es dispositivo capaz de usar el principio se superposicin de mecnica

cuntica y hacer clculos. Es una definicin simple y corta pero es la punta del iceberg de las posibles

mquinas del futuro.

En la siguiente investigacin veremos cmo podran ser construidas y los posibles materiales que se

podran usar. Adems veremos sus posibles usos e inconvenientes que tendran estos aparatos.

Con toda la teora sera sensato preguntarnos Es posible construir una computadora cuntica? Qu

usos podran drsele? Etc.

5.2 Dispositivos electrnicos, el Nanotransistor

La base de todos los dispositivos que hay en la actualidad es el transistor, dicho dispositivo se ha ido

miniaturizando hasta tener una escala microscpica pero Como es evidente el aumento exponencial

de transistores requiere un aumento en el tamao del circuito o una disminucin en el tamao del

propio dispositivo (de los cables y dems) por lo que ah es donde entra en juego la nanotecnologa.

Una de las opciones ms en alza, son los nanotubos de carbono. Algunos nanotubos de carbono son

semiconductores, y esto significa que pueden ser utilizados en los transistores, reduciendo el tamao

del canal de cientos de nanmetros a unos pocos, aunque hay varios problemas que deben resolverse

antes de que puedan estar conectados entre s para formar circuitos de gran tamao.

15

Ya en noviembre de 2001, los laboratorios Bell hicieron un importante avance en los esfuerzos en

este campo, con la fabricacin de nanotransistores direccionables individualmente en la escala de una

molcula, unidos a diminutos electrodos mediante autoensamblaje (unir molculas en una cierta

mezcla que hace que se combinen y autoensamblen sin intervencin directa). Por desgracia este

enfoque qued en lo experimental sin ser viable para la fabricacin industrial.

En 2007 en la universidad de Manchester el profesor Andre Geim y el doctor Kostya Novoselov

anunciaron la fabricacin del transistor ms pequeo hasta la fecha, basado en grafeno. Este transistor

mide slo un tomo de ancho y cincuenta tomos de largo y se postula como un firme candidato para

sustituir a sus hermanos de silicio, en 2025 cuando se estima que llegara a su fin la Era del Silicio

Pero su principal virtud, que lo hace irresistible para la nanotecnologa es su alta conductividad y

mnima resistencia elctrica. As como resistente, elstico, duro, ligero, bajo efecto Joule y consume

menos electricidad que el silicio en realizar una misma tarea. Resultando mucho ms estable que el

propio silicio a escalas de cientos de nanmetros.

Nano transistor, conectado desde Drain a Source mediante grafeno.

El principal problema del grafeno es su degradacin, pero se ha publicado recientemente un artculo

en Nature de Lei Liao et al., High-speed graphene transistors with a self-aligned nanowire gate,

Nature 467: 305308, 16 September 2010. El nuevo mtodo de fabricacin: consiste en colocar

encima del grafeno nanohilos con un ncleo metlico (Co2Si) y un envoltorio aislante (Al2O3), estos

nanohilos pueden actuar como terminal de puerta (G) en un transistor basado en grafeno en cuyos

extremos se encuentra la fuente (S) y el drenador (D).

16

5.3 Disco duro

El pleno aprovechamiento de la mecnica cuntica permitira a las computadoras del futuro resolver

problemas que tomaran ms que el tiempo de vida del universo en una computadora normal.

Un equipo de cientficos de la University College London (UCL) y el National High Magnetic Field

Lab (NHMFL) en la Florida ha descubierto una manera nueva y ms eficiente para codificar la

informacin cuntica en silicio por s mismo.

A pesar de ser compatible con los chips de silicio a nuestro alrededor, el Bismuto se ha pasado por

alto hasta la fecha en favor de tomos de fsforo en la carrera por las tecnologas cunticas, porque

la microelectrnica hoy en da explota el fsforo disuelto en silicio. Sin embargo, los investigadores

en Londres y Florida han encontrado que los tomos de bismuto superan a los tomos de fsforo.

El bismuto es el tomo estable ms pesado y tiene un espn nuclear proporcionalmente grande. Su

espn cuntico es como una pequea aguja de brjula que puede existir en uno de los diez estados

correspondientes a distintas inclinaciones en lugar de las dos direcciones disponibles para un ncleo

de fsforo. Esto permite que los ncleos de bismuto puedan almacenar mucha ms informacin

cuntica que los ncleos de fsforo, puesto que el espacio de estado cuntico es ahora diez, en lugar

de dos dimensiones.

Las observaciones llevan a la suposicin de un dream team con ambos tomos de bismuto y fsforo

en silicio: como son diferentes, pueden ser manipulados independientemente. El bismuto almacena

la informacin cuntica, mientras que el fsforo controla el flujo de informacin.

En Canada, el profesor Sandipan Pramanik se encuentra desarrollando un nuevo modo de almacenar

informacin que puede revolucionar de manera espectacular el campo de los soportes digitales.

El profesor investiga un circuito de memoria universal que vuelva obsoletas las memorias de acceso

aleatorio dinmicas y a las estticas usadas en ordenadores de escritorio o porttiles, as como las

unidades de disco duro, los discos compactos y las memorias flash.

Mediante la tecnologa actual, seleccionar uno de estos tipos de sistemas de memoria siempre implica

hacer concesiones en cuanto a exigencias de velocidad, costo, densidad de almacenamiento, consumo

de energa y durabilidad o volatilidad.

Pramanik est usando un enfoque nico para el problema, aplicando nanotecnologa y espintrnica.

En pocas palabras, Pramanik est pegando nanotubos de carbono sobre una superficie con diminutos

hoyos. La resistencia elctrica de cada nanotubo (dbil o fuerte), representa un cero o uno como

bit bsico de informacin.

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Segn un artculo publicado en la revista Science, un grupo de cientficos-investigadores provenientes

del Joint Quantum Institute (JOl), de la Universidad de Maryland y la Universidad de Michigan, ha

logrado por primera vez en la historia teletransportar informacin entre dos tomos.

Este equipo teletranporto una serie de informacin a travs de dos tomos situados a un metro de

distancia uno del otro. Segn comentan expertos, tal transferencia en caso de ser errnea o perdida,

puede recuperarse con una exactitud de un 90%.

5.4 Teletransportacin entre tomos

Adems, de acuerdo al diseo calcado por cientficos el mismo tendra la capacidad y condiciones

adecuadas para sentar las bases de un repetidor cuntico, el cual les dara la posibilidad de entrelazar

las memorias cunticas a travs de vastas distancias.

Anteriormente si se haba logrado la teletransportacin con fotones a travs de muy largas distancias,

con fotones y conjuntos de tomos, y con dos tomos cercanos, con la accin intermediaria de un

tercer tomo, pero nunca se haba proporcionado un medio til de almacenamiento y gestin de la

informacin cuntica a larga distancia.

5.5 Monitores nuevos, Nanotecnologia Visual.

Un equipo de qumicos de la Universidad de Duke ha perfeccionado una forma sencilla de hacer

pequeos nanocables de cobre en cantidades. Los conductores baratos son lo suficientemente

pequeos para ser transparentes, ideales para clulas solares de pelcula delgada, televisores y

computadoras de pantalla plana, y mostradores flexibles.

Los ltimos televisores de pantalla plana producen imgenes por una matriz de pxeles electrnicos

conectados por una capa conductiva transparente hecha de ITO (Indium-Tin Oxide). Pero ITO tiene

inconvenientes: es frgil, hacindolo inadecuado para pantallas flexibles, su proceso de produccin

es ineficiente, es caro y se hace todava ms caro a medida que la demanda va subiendo.

Si vamos a tener estos dispositivos electrnicos ubicuos y clulas solares, dice Wiley, tenemos

que utilizar materiales que son abundantes en la corteza de la tierra y no tienen mucha energa para

extraer. l seala que hay muy pocos materiales que son conocidos por ser transparentes y

conductores, lo cual es la razn por la que ITO se siga utilizando a pesar de sus inconvenientes.

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5.6 Informacin cuntica

Para qu sirve una computadora cuntica?

La informacin no es fsica, es decir nadie puede decir que la informacin se puede tomar con las

manos, es slo conceptual.

Una de las principales utilidades de las computadoras cunticas sera la seguridad informtica. Por

ejemplo si se compra algo internet el servidor le dar una clave de 200 dgitos y nuestra computadora

nos dar otro nmero de 200 dgitos. Se combina para tener un nmero 400 dgitos.

Para poder acceder a esa informacin es necesario descifrar que nmeros fueron los usados. Y para

ello deben de factorizarse aquellos nmeros que usaron para obtenerlo. A una computadora normal

le llevara demasiado tiempo hacer, se podra decir que hasta imposible. Mientras que a una

computadora cuntica le llevara unas cuantas horas.

Tambin se podra usar ests mquinas para la decodificacin de mensaje encriptados. As cmo

mayor vigilancia de los datos, ya que slo una computadora cuntica puede permanecer cuntica hasta

el momento de ver qu est ocurriendo. De esta manera se puede percibir si alguien est viendo

nuestra informacin.

Otra aplicacin es el modelado de sistemas cunticos partculas, con campos de aplicacin en la

farmacutica. Para predecir el comportamiento del compuesto tiempo real. O diseo de nuevos

superconductores.

Fabricacin de sensores mucho ms pequeos, sensibles y precisos.

5.7 Desventajas

Una computara cuntica slo permanecer cuntico hasta que abramos la caja como en el caso del

gato Schrdinger. Entonces necesitamos mantener completamente aislado nuestro sistema, el

inconveniente es que en este mundo no es posible logra eso. Ya que cmo est formado de tomos,

todo interacta con todo.

Su construccin es demasiado costosa, adems de que sus dimensiones se asemejan a los ordenadores

de antao.

El hardware para controlarlas es muy lento, aunque logrramos fabricarles, las limitaciones de

Hardware con quitara velocidad.

A pesar de todo, las computadoras cunticas estn an lejos de nuestro alcance, ya que se encuentran

fase prototipo, y slo cuentan con unos cuantos cubits,

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5.8 Ventajas

Velocidades increbles de procesamiento, puesto que una computadora actual, resuelve una tarea en

una serie pasos. Por ejemplo si quisiramos que una mquina actual resolviera un laberinto, se pondra

a probar cada solucin, una por una hasta dar la solucin correcta, mientras que una mquina cuntica

es capaz de resolver todos los casos al mismo tiempo.

Podran simular situaciones reales que al momento no se podran obtener con mquinas actuales.

Modelado cuntico del comportamiento de materiales.

Abre el paso a nuevas tecnologas y formas de pensar.

5.9 Conclusin

Ests tecnologas tericas pueden abrirnos el camino a una nueva revolucin informtica, podra abrir

caminos inalcanzables como en este momento, lograramos dispositivos ligueros, ms rpidos y ms

complejos, y, sobre todo, pequeos, que sin duda, cambiaran nuestra forma de percibir el mundo y

fenmenos.

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6 GLOSARIO

Altropo Propiedad de algunos elementos qumicos de poseer estructuras qumicas

diferentes. Las molculas formadas por un slo elemento y poseen distinta

estructura molecular se llaman altropos.

Spin

Momento angular intrnseco, se refiere a una propiedad fsica de las partculas

subatmicas, por la cual toda partcula fundamental tiene un momento angular

intrnseco de valor fijo.

Mecnica

cuntica

Describe un su visin ms ortodoxa, como en cualquier sistema fsico y por tanto,

en todo el universo, donde existe un multiplicidad de estados.

Bit Un digito de sistema de numeracin binario, acrnimo de Binary Digit.

Transistor Unin de tres materiales semiconductores, con tres terminales, usado para

amplificacin de

Istopo Se denomina istopos a los tomos de mismo elemento cuyos ncleos tiene una

cantidad diferente de neutrones, y por lo tanto, difieren el numero msico

Matraz Recipiente de vidrio con base esfrica, y un cuello recto y estrecho.

7 Bibliografa

http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2011/06/20/nanotransistores/

http://www.tendencias21.net/Crean-un-nanotransistor-que-sustituira-al-silicio-en-2025_a1430.html

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.100.206803

www.wikipedia.com

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