¿Por qué es importante la computación cuántica? | Seguridad informática cuántica | Internet cuántico | VPN cuántica | Computación cuántica ejemplos

¿Porqué es importante la computación cuántica?

La computación cuántica aprovecha propiedades microscópicas, más concretamente de los átomos, ya que a esta escala ocurre comportamientos totalmente diferentes a lo que comúnmente observamos a simple vista, fenómenos extraños y desconocidos que pueden ser aprovechados de manera adecuada, como por ejemplo en los sensores cuánticos, computación cuántica, comunicaciones cuánticas, etc.

Tal ejemplo de que un ordenador cuántico es innovador es que se puede factorizar un número demasiado grande (talvez un número de 23 millones dígitos), tarea que para la computación tradicional se le complica demasiado ya que se logra factorizar solo números más pequeños y con demora, se pone énfasis en factorizar porque es en lo que comúnmente se basa la seguridad de nuestras comunicaciones para descifrar la información. Otro pequeño ejemplo puede ser el diseño de mejores fármacos, y reitero el diseño y no el descubrimiento, ya que a veces puede resultar muy complicado ponerse a combinar muchas fórmulas para diseñar nuevos compuestos, con los algoritmos de computación cuántica y haciendo uso de inteligencia artificial podría resolverse fácilmente este problema.

Ahora en lo que respecta a las comunicaciones cuánticas, lo que obviamente se busca es proteger de una mejor manera la información, haciendo uso de encriptación y desencriptación cuántica de la información. Ya que por ejemplo usando un computador cuántico para descifrar la información protegida con la tecnología tradicional que disponemos, todo esto sería muy fácil de hacerlo.

Otra aplicación como los sensores cuánticos, se verá también beneficiada, mejorará la precisión de los sensores al momento de hacer mediciones, tal ejemplo puede ser el GPS que usa relojes cuánticos, y otros sensores,  así se podrá obtener un posicionamiento más exacto.

Y obviamente también nos falta, nombrar al internet cuántico, en donde sin lugar a duda también se tendrá acogida de esta nueva tecnología, lo describiremos más adelante.

Todos estos ejemplos podrían ser unos pilares muy importantes, que muestran cuan vital resulta implementar la tecnología de computación cuántica para nuestro bienestar y para la mejora continua de nuestra tecnología, aunque pueden sin lugar a dudas extenderse sus aplicaciones.

Internet cuántico

La tecnología cuántica promete ser una gran revolución, aprovechando las propiedades de partículas, átomos u objetos cuánticos, que se comportan de manera impredecible de acuerdo con las leyes de la física cuántica, se puede crear por ejemplo chips y circuitos imposibles de hackear, hasta redes de telecomunicaciones "cien porciento" seguras, todo esto supone un gran cambio en la seguridad informática. Aquí se aprovecha el funcionamiento de los llamados "generadores cuánticos de números aleatorios" basándose en el comportamiento de los objetos cuánticos para así lograr obtener de manera óptima números aleatorios perfectos (se crean millones de bits por segundo), y crear un cifrado que sea muy difícil de descifrar o piratear por cualquier otro computador. 

Los chips imposibles de piratear o hackear generan números aleatorios disparando láseres a dos objetivos, el resultado es imposible de pronosticar

Ahora el internet cuántico envía la información por fotones y cualquier intento de intromisión puede ser detectado, y gracias a la ayuda de los chips imposibles de hackear o generadores cuánticos se dispara con dos láseres a dos objetivos, y su resultado es imposible de pronosticar. Entre las aplicaciones que se planea implementar gracias a su seguridad, están la protección de datos financieros, de salud, de defensa, redes eléctricas, transporte, redes móviles, seguridad de centros de datos, internet de las cosas. Por supuesto todo esto ya se logró a nivel de laboratorio, pero poco a poco ya se lo está llevando a la práctica a dispositivos de uso diario.

Una VPN a prueba de ciberataques cuánticos

Como se mencionó antes, a través de la computación cuántica es posible hackear con total facilidad cualquier sistema de encriptación y seguridad informática actual,  por tal motivo se esta pensando en nuevos sistemas seguridad y encriptación que nos proteja de este tipo de intromisiones cuánticas, y antes de que se implemente totalmente en el mercado estos dispositivos, una solución es la que ha planteado la empresa Verizon, con su nueva red VPN que afirman que es inmune a ataques cuánticos, haciendo usos de nuevos protocolos.

Hicieron una prueba desde Londres hasta Ashburn Estados unidos, haciendo una transmisión que atravesó el océano Atlántico, usaron un algoritmo conocido como Sabre. Planean hacer más pruebas en otros lugares y con otros algoritmos, para de allí obtener los nuevos estándares de encriptación que se usaran futuramente y buscando que se los implemente lo más pronto posible.

En fin, todos tenemos una pequeña idea de como nos protege y nos camufla una VPN común y corriente, la misma que resulta muy dificultosa de evadir por los hackers, pero una VPN cuántica será aún más infranqueable todavía, gracias al uso de los algoritmos de encriptación cuántica.

Referencias

https://youtu.be/DSZ39pk-U7U

https://youtu.be/AbcT7aOlZ2Y

https://www.elespanol.com/omicrono/tecnologia/20210828/vpn-resistente-computacion-cuantica-amenaza-ciberseguridad-clasicas/607439762_0.html

Grafeno y su uso en la computación cuántica | conoce también otros usos del grafeno | grafeno y electrónica | ¿Qué es el grafeno y para que se usa?

¿Qué es el grafeno y para que se usa?

El grafeno básicamente es un material bidimensional, por ejemplo una sola lámina de grafeno está formada por átomos de carbono y que se enlazan entre sí formando una especie de redes de forma hexagonal. De ahí se sabe que el grafeno es unas 200 veces más resistente que el acero siendo unas 5 veces más ligero que el aluminio, mil veces mejor conductor de electricidad que el cobre, siendo también un excelente conductor térmico, y también cabe destacar que es muy flexible, elástico y transparente, por todo esto se lo considera como el material del futuro con un sin fin de aplicaciones como pantallas flexibles de dispositivos electrónicos, microchips y computadoras más rápidas, baterías de larga duración y con carga ultra rápida, cascos y chalecos antibala, etc.

Grafeno rotado y del grosor de un átomo el eje de la computación cuántica

Unas últimas investigaciones sobre los movimientos de los electrones en capas de grafeno en 2 dimensiones, sugieren que podrían favorecer al desarrollo de la computación cuántica así como también revolucionar la industria de los circuitos electrónicos.

Así y es, gracias a un estudio realizado en cooperación entre el Laboratorio Nacional Brookhaven, la Universidad de Pensilvania, la Universidad New Hampshire, la Universidad Stony Brook, y la Universidad de Columbia, señalan que la tecnología de silicio y semiconductores actual, poco a poco ha empezado a llegar a su límite en lo que respecta a tamaño, en cuantos transistores miniaturizados pueden caber en un circuito integrado o chip, por lo cual se puede en cambio aprovechar el movimiento de lo electrones a una escala nanométrica acorde a los materiales 2D, y así usar los electrones de manera nunca antes lograda permitiendo el desarrollo de la computación cuántica, con plataformas más seguras y potentes.

Se trata de una disposición de grafeno bicapa, con una forma de carbono que tiene apenas el grosor de un átomo, así se logra hacer trabajar al electrón dentro de diminutas dimensiones que son iguales a su longitud de onda, en un proceso conocido como confinamiento cuántico con lo cual cambian las propiedades electrónicas y ópticas de los materiales.

Esta investigación se basa en estudios anteriores en donde por ejemplo se usaron tres configuraciones diferentes de capas de grafeno, la primera una sola capa de grafeno, Bernal apilado bicapa y la bicapa retorcida. Luego se logró detectar resonancias tanto electrónicas como ópticas entre capas, el movimiento de los electrones es adelante y atrás a la misma frecuencia, también se indaga que la distancia entre capas aumenta para una configuración retorcida o con capas rotadas entre sí. Por lo cuál el grafeno rotado entre sí, tendría aún mejores resultados, debido a que hay más espacio sobre el cual pueden desplazarse los electrones lo que conlleva a aprovechar aún más propiedades.

Lo que se hizo también en este estudio es probar este confinamiento cuántico en capas, tanto con electrones como con fotones. Se espera ver también los efectos de estas propiedades al adicionar más materiales al grafeno.

Otras aplicaciones del grafeno

Entre otras aplicaciones del grafeno podemos citar:

Baterías de grafeno

La clave para lograr desarrollar baterías más eficientes que muchas que hay en la actualidad, pueden ser las baterías de grafeno, cuyo ingrediente principal son las denominadas "bolas de grafeno"(patentadas por Samsung), las mismas que se obtienen a partir del óxido de silicio, se trata de un tipo de grafeno tridimensional. Afirman que se puede incrementar la velocidad de carga de las actuales baterías de litio de los teléfonos celulares hasta en cinco veces. También sería una buena alternativa para las baterías de coches eléctricos ya que mantienen temperaturas de carga de hasta 60° centígrados.

Grafeno en el sector de la construcción

Una nueva iniciativa que consiste en mezclar grafeno con concreto, promete ser una gran innovación en el sector de la construcción, se obtiene una especie de hormigón más duradero, más fuerte y a la vez amigable con el medio ambiente. Por ejemplo la resistencia a la flexión mejora en un 79.5 %, y su resistencia a la compresión mejora hasta en un 146%, además también es 4 veces más impermeable al agua. Cabe destacar también que disminuiría la cantidad de cemento por metro cúbico a la mitad, al mezclarlo con el grafeno, lo que conlleva a menos gasto de energía y menos emisión de CO2 debido a su producción.

Productos con grafeno

Hay 5 productos de uso cotidiano hechos de grafeno y que actualmente ya se encuentran disponibles en el mercado, entre estos podemos citar colchones y almohadas, diafragmas de auriculares, pinturas con grafeno, palas de pádel, batería LiPo con grafeno (con mayor aplicación en la industria de los drones).

Referencias:

https://scitechdaily.com/atomically-thin-twisted-graphene-has-unique-properties-that-could-advance-quantum-computing/

https://youtu.be/fyaS9IhcfBE

https://youtu.be/zoIL8VQg7PM

https://youtu.be/IXfTY_Ylzek

Paneles solares hechos de bacterias productoras de energía eléctrica y biocombustibles | bacterias beneficiosas y amigables con el medio ambiente para almacenar energía | bioingeniería de bacterias y microorganismos para producción y almacenamiento de energía alternativa

Almacenamiento de energía y producción de biocombustibles

Actualmente, en lo que respecta a la obtención de energía alternativa, ya sea energía solar, eólica, en fin..., nos enfrentamos a la problemática de que para almacenar energía eléctrica, tenemos dispositivos que son muy poco amigables con el medio ambiente, tal es el caso de las baterías, por tal motivo se busca implementar un nuevo sistema sostenible y ecológico para poder almacenar la energía eléctrica, por lo tanto hay actuales investigaciones que señalan que la bioingeniería de bacterias y microorganismos es una de las mejores opciones para lograr este objetivo.

Como señala el bioingeniero PH.D. Cornell Buz Barstow este indicio puede empezar en una bacteria cuyo nombre es Shewanella Oneidensis, la misma que es capaz de introducir electrones a su metabolismo, lo que permite obtener moléculas precursoras esenciales con las que se puede producir biocombustibles. Sin embargo esperan crear bacterias que realicen de manera más eficiente este proceso. Además también señala el experto que solo una pequeña cantidad de microbios y microorganismos pueden almacenar energía eléctrica renovable.

Lo que están investigando también es, como encontrar los genes que logran hacer que las bacterias introduzcan electrones en su organismo, y lo afirman que poco a poco lo están logrando. La profesora asistente de microbiología en la Universidad de Cincinnati  Anette Rowe quien es Ph.D, señala las vías descubiertas para lograr el movimiento de los electrones en el metabolismo de la Shewanella, y que esto se logra transformando el dióxido de carbono en biocombustibles, y que es muy viable llevarlo a la práctica.

Señalan que están creando bacterias que comen electrones, gracias a esos genes que planean implementar, y la primera bacteria candidata para introducir estos genes es la Escherichia Coli, ya que con ella es más sencillo trabajar.

Paneles solares hechos de bacterias y cooperación de microorganismos 

Una innovación de los paneles solares puede ser un nuevo tipo conocido como panel solar biogénico, estos siguen un principio biológico muy común en el cual las plantas y las bacterias son las que logran aprovechar de manera eficiente la luz solar que captan (aunque este sea poca), para transformarla en energía química, en un proceso llamado fotosíntesis, esto debido a unas sustancias conocidas como pigmentos fotosintéticos (como por ejemplo clorofilas y carotenoides). Un ejemplo de esto es el uso de la bacteria Escherichia Coli, que de acuerdo a una investigación de la Universidad de Columbia de Canadá, se busca modificar genéticamente esta bacteria para que produzca en mayor cantidad un carotenoide conocido como licopeno, para así lograr también captar la mayor cantidad de energía solar gracias a esta sustancia. El licopeno pasa a un estado de excitación al momento de recibir un fotón de luz solar, lo cual lleva a movilizar electrones entre moléculas vecinas, en este aspecto se logra un fenómeno muy parecido al que ocurre con el silicio, al momento de recibir luz solar en las celdas comunes, se moviliza electrones produciendo una corriente eléctrica. Pero lo que se busca es que el licopeno actué como semiconductor ya que no lo es, y por eso se planea usar algún tipo de semiconductor que sirva de puente, y así conducir la energía eléctrica que se obtiene del licopeno.

Otra dificultad es la supervivencia de las bacterias en medios artificiales. Entonces una solución a esto puede ser la simbiosis artificial entre seres vivos, proceso en el cual los seres vivos se benefician y se protegen entre sí, de acuerdo a una investigación del Instituto de Tecnología Stevens, en este caso puede ser entre hongos y cianobacterias, usando grafeno como elemento conductor y recolector de energía para esta red simbiótica, aunque la verdad todas estas ideas están en una fase muy temprana, y con corrientes obtenidas muy bajas, siguen en constante desarrollo y se espera que se logren mejores resultados lo más pronto posible.

Criterio:

Pienso que es una buena iniciativa buscar nuevas formas de crear paneles solares, sobre todo porque los paneles solares actuales, al momento de quedar inservibles, dejan una basura no muy amigable con el medio ambiente, y por tal razón es de vital importancia buscar materiales más ecológicos para el medio ambiente, y así crear nuevos tipos de paneles solares, sin embargo hay que tener en cuenta que también hay que mejorar la eficiencia de los mismos para captar la mayor energía solar posible. También me parece que hay que tener precaución en lo que respecta al manejo de las bacterias, ya que si se pretende preservarlas para estos fines, se las debe controlar de manera adecuada, deben ser atenuadas de alguna forma para que no haya peligro de infección, desencadenando tal vez epidemias y pandemias, puede que en cambio se tenga peligro de contaminación bacteriológica una vez que los paneles solares sean desechados, por tal motivo se deben seguir realizando estudios rigurosos que certifiquen que estos paneles solares son cien porciento seguros (en lo que respecta a sanidad y medio ambiente) y eficientes.

Referencias

https://phys.org/news/2021-08-bacteria-key-energy-storage-biofuels.html

https://youtu.be/k55UA3LtWn4

https://news.ubc.ca/2018/07/05/bacteria-powered-solar-cell-converts-light-to-energy-even-under-overcast-skies/

https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2018/acs-presspac-november-14-2018/bionic-mushroom-that-generates-electricity.html

https://es.khanacademy.org/science/biology/photosynthesis-in-plants/the-light-dependent-reactions-of-photosynthesis/a/light-and-photosynthetic-pigments

Supercondensadores vs baterías lo último | aplicaciones y funcionamiento de supercondensadores | miniaturización de supercondensadores | cálculo de energía almacenada en supercondensador

Batería supercondensadores 

Los supercondensadores funcionan de manera similar a un condensador normal, solo que los primeros ofrecen una capacitancia mucho mayor (funcionando de manera algo similar a una batería), pero poseen un a propiedad conocida como pseudocapacitancia, aunque puede ser tomada en cuenta como muy similar a la propiedad de un capacitor convencional, por lo cual volviendo a explicar el funcionamiento común de un capacitor, estos se conforman de pares de placas metálicas (alternando una con polaridad positiva y otra negativa) que se encuentran separadas por una capa intermedia de un medio no conductor de electricidad, conocido como dieléctrico (electrolito), todo esto permite almacenar la energía de manera estática, sin producir una reacción química como sí ocurre con las baterías.

Estructura interna de un supercondensador

Aplicación de supercondensadores a la industria de coches eléctricos

Por ser muy ligeros, empresas como Tesla y Lamborghini, han mostrado interés en incorporar a sus coches, los supercondensadores, ya que también la carga y descarga de los supercondensadores no dependen de reacciones químicas, como sí ocurre con las baterías, por lo tanto las baterías sufren un gran desgaste en lo que se refiere a aceleración y frenado instantáneo, los supercondensadores en cambio responden perfectamente a la aceleración ya que pueden entregar picos de potencia grandes de manera instantánea sin sufrir desgaste, y en cambio a lo que respecta a la absorción total de energía que se necesita en el mecanismo de freno regenerativo, estos supercondensadores igualmente trabajan sin ningún problema para captar esta grande densidad de energía en un pequeño instante, lo que igualmente va perjudicando a las baterías.

Banco de supercondensadores de auto eléctrico, puestos en serie y paralelo

Por el momento los condensadores, no son una respuesta inmediata para reemplazar a las baterías, ya que los primeros a pesar de ser una tecnología de almacenamiento de energía viable por su rápida carga, siguen teniendo la desventaja de almacenar menos energía que una batería propiamente, entonces en lo que se piensa es en una combinación de ambas tecnologías de capacitores y baterías, para que trabajen en conjunto, la batería aporta la mayor parte de la energía, y el condensador da una respuesta, para carga y descarga inmediata de una alta potencia instantánea. Sin embargo siguen los esfuerzos por innovar la tecnología de los supercondensadores, con el fin de que logren almacenar la misma cantidad de energía que una batería y quizás tal vez más. Por este motivo veremos un segundo ejemplo de las últimas innovaciones de supercondensadores, en donde se ve reducido el tamaño de los mismos.

Lo último el supercondensador más pequeño que existe (nano-supercondensadores)

Científicos en Alemania afirman haber logrado crear un condensador muy pequeño y que presenta el mismo voltaje que una pila AAA, pero con una corriente mucho menor (0.1 microamperios), su tamaño es un poco menos que un grano de polvo (0.001 milímetros cúbicos), y puede llegar a ser introducido en el cuerpo humano, ya que una principal aplicación es energizar pequeños dispositivos y sensores, que verifican el estado de la sangre, de los vasos sanguíneos, el pH, la detección de enfermedades, etc. Con respecto a esta última aplicación de estos nano-supercondensadores, se los conoce como bio supercondensadores, y que además para este caso aprovechan también las reacciones químicas del cuerpo para su funcionamiento, y poseen también celdas sensibles a la luz para así recargarlos.

En lo que respecta a su estructura se trata de nano-supercondensadores de forma tubular, y que obviamente se los puede poner a trabajar en conjunto, por ejemplo en una lámina transparente que los contiene, que es menor  a la yema del dedo, pueden caber sin problema hasta 90 de estos supercondensadores puestos en serie y en paralelo. Se trata de dispositivos electrónicos de escala submilimétrica.

Vista frontal del nano super condensador tubular, se ven sus capas

Y sin lugar a dudas al ser muy pequeños, tarde temprano lograrán por fin crear condensadores con la misma capacidad de almacenamiento que una batería, trabajando en conjunto muchos de estos condensadores de escala submilimétrica.

Cómo calcular la energía de un condensador

Con el fin de tener una idea de cuánta energía puede almacenar un capacitor en comparación a una batería mostrare como se puede hacer los cálculos de la energía que puede almacenar cada uno en función de su voltaje.

Se puede calcular la energía que almacena un condensador mediante la siguiente ecuación:

Ecuación de energía almacenada en capacitor

Donde W es la energía calculada en julios, C es la capacitancia en faradios y V es el voltaje en voltios. Poniendo como ejemplo un capacitor de 1 faradio, que alcanzó un voltaje máximo almacenado de 3 voltios, (he comprobado también el amperaje que entrega un capacitor de estas características, y es de aproximadamente 400 miliamperios aunque no se tomará en cuenta esto para el cálculo), el cálculo de la energía sería el siguiente:

W=0.5 x (1) x (3^2) = 4.5 julios

Se obtiene como resultado 4.5 julios de energía almacenada, ahora se procede a realizar los cálculos suponiendo que se logró almacenar un voltaje de 5 voltios:

W=0.5x(1)x(5^2)=  12.5 julios

Se observa que con un aumento de 2 voltios, la energía almacenada es más del doble, por lo cual se puede decir que la carga de un capacitor no es lineal, sino que varía de manera cuadrática de acuerdo al voltaje que almacena. 

Y finalmente para tener una idea de la energía que puede almacenar una batería multiplicamos la corriente de la batería que se consume en una hora, por el voltaje que entrega la misma (y haciendo también una conversión de horas a segundos):

Ecuación de energía almacenada en una batería

Entonces si tenemos una batería de 4 voltios con una capacidad de carga de 500 mAh, la energía almacenada será:

W=(0.5Axh)x(3600s/h)x4V= 7200 julios

Se obtiene una energía almacenada de 7200 julios, para el caso en que aumente el voltaje a 6 voltios la energía almacenada obtenida es de 10800 julios. 

Con esto se puede tener una idea del nivel alto de energía que es capaz de almacenar una batería en comparación a un capacitor de características similares, en lo que respecta a voltaje y corriente, pero el aumento de energía de un capacitor es cuadrático en comparación a una batería.

Referencias:

https://youtu.be/IC2MwodR3zA

https://newatlas.com/science/dust-sized-supercapacitor-voltage-aaa-battery/