ARQUITECTURAS AVANZADAS

INTRODUCCION

A lo largo del último medio siglo, las computadoras han ido duplicando su velocidad cada dos años, al tiempo que el tamaño de sus componentes se reducía a la mitad. Los circuitos actuales contienen transistores y líneas de conducción cuya anchura es sólo una centésima parte de la de un cabello humano. Las máquinas de nuestros días son millones de veces más potentes que sus rudimentarias antepasados a causa de tan explosivo progreso.
Figura 1.- Desde el principio hasta el presente: A la izquierda una máquina de engranajes, a la derecha un chip de la IBM de 0.25 micras. La versión producida por la IBM contiene 6 millones de transistores.

El incremento del poder de las computadoras se debe esencialmente a la miniaturización incesante del componente más elemental de la computadora, el transistor. Cuando los transistores se reducen de tamaño y se logran integrar en un solo microchip se incrementa el poder computacional. Sin embargo, las técnicas de integración de microcircuitos están empezando a tropezar con sus límites.
Mediante técnicas litográficas avanzadas podrían producirse elementos cien veces menores que los hoy disponibles. Pero a tal escala, en la que la materia se presenta como una muchedumbre de átomos disgregados, los circuitos integrados apenas consiguen funcionar. Al reducir la escala diez veces más, los átomos manifiestan ya su identidad individual, y basta un solo defecto para provocar una catástrofe. Por consiguiente, si se pretende que las computadoras del futuro reduzcan su tamaño, será preciso que la técnica de uso se reemplacé o complemente con otras nuevas.
La ciencia de la computación en busca de una alternativa más allá de la tecnología del transistor, ha iniciado el estudio de la mecánica cuántica y su aporte para la creación de nuevas computadoras. Es así como han surgido las disciplinas: Nano-Computación y Computación Mecánico-Cuántica.

Figura2.- La transición de microtecnología a nanotencología. Según la física clásica, no hay manera de que los electrones puedan llegar desde el "Source" al "Drain" debido a las dos barreras que se encuentran al lado del "Island" pero la estructura es tan pequeña que los efectos de la cuántica ocurren, y los electrones pueden bajo ciertas circunstancias romper la barrera del túnel.
Como se muestra en la Figura2, hay formas de rediseñar los transistores para que trabajen usando efectos cuánticos. Pero podría ser mejor dejar la idea de transistores y usar una nueva arquitectura completamente nueva que sea más adecuada al utilizar los principios de la mecánica cuántica. En la Figura 3, se presenta una idea de esta arquitectura.

Figura 3.- Una alternativa es utilizar nuevos tipos de transistores. La Figura muestra como un circuito particular llamado "semi-sumador" pude crearse de un modelo compuesto de dos tipos de células.
Las nano-computadoras tendrán componentes cuyo funcionamiento se rigen por los principios de la mecánica cuántica, pero los algoritmos que ellas ejecuten probablemente no involucren un comportamiento cuántico; mientras que las computadoras cuánticas buscan una posibilidad más excitante, usar la mecánica cuántica en un nuevo tipo de algoritmo que sería fundamentalmente más poderoso que cualquier otro esquema clásico. Una computadora que puede ejecutar computadora que pueda ejecutar este tipo de algoritmo será una verdadera computadora cuántica.
Un Computador Cuántico es un nuevo dispositivo fantástico que puede resolver ciertos problemas importantes muy eficazmente. Un computador cuántico proporciona paralelismo masivo aprovechando la naturaleza exponencial de la mecánica cuántica. Un computador cuántico puede almacenar una cantidad exponencial de datos, y realizar un número exponencial de operaciones usando recursos polinomiales. Este paralelismo cuántico no es fácil de aprovechar. Sin embargo, unos algoritmos cuánticos descubiertos en 1993 (Algoritmo de Shor) han creado un interés en el potencial de las computadoras cuánticas.
La construcción de un computador cuántico funcional a opuesto una resistencia diabólica. El problema estriba en que cualquier interacción que un sistema cuántico tenga con su entorno, piénsese en el choque de un átomo contra otro o contra un fotón errante, constituye una medición. La superposición de estados mecánicos cuánticos se resuelve en un solo estado bien definido; y éste es el que el observador detecta. Dicho fenómeno de descoherencia, así se llama, imposibilita cualquier cálculo cuántico. Al objeto de mantener, pues, la coherencia, las operaciones internas de un computador cuántico deben separarse de su entorno. Más, a la vez, han de ser accesibles para que puedan cargarse, ejecutarse y leerse los cálculos.
Pese a todo, no será fácil conseguir un computador cuántico cuyas proporciones le permitan competir con los más rápidos de los clásicos. Pero el reto merece la pena. Los computadores cuánticos, por modestos que sean, se convertirán en soberbios laboratorios naturales donde poder estudiar la mecánica cuántica. Con semejantes dispositivos y la ejecución de un programa adecuado, podrán abordarse otros sistemas cuánticos que revisten interés fundamental.
Por ironía de las cosas, los computadores cuánticos podrían ayudar a científicos e ingenieros en la resolución de los problemas que se les plantean en la creación de microcircuitos ínfimos con transistores mínimos; muestran éstos un comportamiento mecánico cuántico cuando la reducción de su tamaño llega al límite de las posibilidades.

COMPUTADORAS CUANTICAS

La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables.

Mientras un computador clásico equivale a una máquina de Turing, un computador cuántico equivale a una máquina de Turing indeterminista.
La empresa canadiense D-Wave Systems había supuestamente presentado el 13 de febrero de 2007 en Silicon Valley, una primera computadora cuántica comercial de 16-qubits de propósito general; luego la misma compañía admitió que tal máquina llamada Orion no es realmente una Computadora Cuántica, sino una clase de máquina de propósito general que usa algo de mecánica cuántica para resolver problemas.

COMPUTADORAS DNA

La primera persona que pensó y experimentó con el ADN como una alternativa a los chips de silicio se Leonard Adleman, un equipo científico que trabaja en la Universidad del Sur de California. 1994 El experimento usando ADN como una manera de resolver los complejos problemas matemáticos es un producto de una influencia del libro (de Biología Molecular de la Gene escrita por James Watson).
ADN computadoras trabajarán mediante el uso de ADN basados en lógica puertas. Estas puertas lógicas son muy similares a lo que se utiliza en nuestros ordenadores hoy en día con la única diferencia es la composición de la entrada y salida de señales. En el estado actual de la tecnología lógica de puertas, los códigos binarios de los transistores de silicio se convierten en instrucciones que puede ser llevada a cabo por el equipo. Ordenadores de ADN, por otro lado, utiliza los códigos de ADN en lugar de señales eléctricas como insumos para la lógica de ADN puertas. Ordenadores de ADN, sin embargo, están todavía en su infancia y aunque puede ser muy rápido en el suministro de respuestas posibles, la reducción de estas respuestas las tiene aún días.
Las computadoras de ADN será la próxima generación de ordenadores de genes "bloques de construcción. Debido a su velocidad, la miniaturización y el potencial de almacenamiento de datos de ADN computadoras están siendo considerados como un sustituto de silicio basado en computadoras. Actual equipo de investigación del ADN ha demostrado que el ADN ordenadores son capaces de resolver complejas ecuaciones matemáticas y el almacenamiento de enormes cantidades de datos.

Las ventajas de los ordenadoras de ADN.

Las computadoras de ADN muestran promesa porque no tienen las limitaciones de silicio basado en chips. Por una parte, el ADN basada en los fabricantes de chips siempre tendrá una amplia oferta de materias primas como el ADN existe en todos los seres vivos, lo que significa en general más bajos los gastos generales. En segundo lugar, la fabricación de chips de ADN no produce tóxicos de los productos. Por último, pero no el menos importante, las computadoras de ADN será mucho más pequeño que el silicio basado en los ordenadores como una libra de los chips de ADN puede contener toda la información almacenada en todas las computadoras en el mundo.
Con el uso de puertas lógicas de ADN, una computadora de ADN del tamaño de una lágrima será más potente que el actual superordenador más potente. Un chip de ADN inferior al tamaño de un centavo se tenga la capacidad de realizar 10 billones de cálculos paralelos de una sola vez, así como celebrar diez terabytes de datos. La capacidad para realizar cálculos paralelos, mucho más billones de cálculos paralelos, es algo de silicio basado en computadoras no son capaces de hacer. Como tal, un complejo problema matemático que podría adoptar el silicio computadoras basadas en miles de años para resolver se puede hacer de las computadoras de ADN en horas. Por esta razón, el primer uso de las computadoras de ADN muy probable que haya resquebrajamiento de los códigos, planificación de itinerarios y complejas simulaciones para el gobierno.