“El reto para el año 2030 es que los circuitos eléctricos integrados tengan la capacidad de contener 30 billones de transistores en un circuit La Ley de Moore plantea que cada dos años se duplica la cantidad de transistores que caben en un chip semiconductor”, señaló Paredes

La Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) declaró el 2025 como el Año Internacional de la Ciencia y Tecnologías Cuánticas, con el objetivo de resaltar su impacto en diversos campos como las telecomunicaciones, la medicina, la tecnología y la seguridad. Así lo recordó Susana Lizano, miembro de El Colegio Nacional, al iniciar el ciclo de conferencias Del gato de Schrödinger al teorema de Bell: 100 años de ciencia y tecnología cuántica.

La astrofísica mexicana comentó que la proclamación fue resultado de un esfuerzo impulsado por México, particularmente de la doctora Luz María Cetto, investigadora del Instituto de Física de la UNAM. “La mecánica cuántica tiene muchas aplicaciones prácticas y un gran potencial para abordar desafíos globales. La computación cuántica, por ejemplo, promete resolver problemas complejos, más allá de las capacidades de las supercomputadoras actuales, lo cual podría transformar la investigación científica, la medicina, la ciencia, el clima, el sector energético y las finanzas”. 

El ciclo, coordinado por los colegiados Carlos A. Coello Coello, Susana Lizano y Luis Felipe Rodríguez Jorge, contó con la participación de la científica y divulgadora Rosario Paredes, en la primera sesión. Al tomar la palabra, Paredes se refirió a la revolución de los semiconductores, explicó que la historia se remonta a 1900, cuando en Estados Unidos, la empresa AT&T pidió a los laboratorios BELL que se preocuparan por hacer un aparato eléctrico capaz de realizar llamadas de costa a costa de Norteamérica.

Entonces se desarrolló el transistor, lo que hay detrás de los semiconductores. “Fue una patente que se registró en 1906, se consiguió hacer llamadas de costa a costa. Los conductores son esencialmente los metales, los aislantes son como la madera, el vidrio, las resinas, el gaucho. Los semiconductores son materiales que permiten o impiden el paso de la corriente eléctrica como es la madera, el caucho, el plástico; y son fundamentales para la fabricación de dispositivos electrónicos como el silicio y el germanio”. 

La investigadora del Instituto de Física de la UNAM detalló que los semiconductores casi siempre son un cristal y es en esta parte en la que entra la mecánica cuántica. “Conan Röntgen descubrió los Rayos X como una consecuencia natural de la mecánica cuántica. Gracias a ese descubrimiento se pudo saber cómo estaban compuestos los sólidos. Sólo hay 14 posibles maneras en la que los átomos se pueden disponer en un sólido, se llaman las redes de Bravais”. 

Agregó que el transistor es un tipo de dispositivo electrónico semiconductor, capaz de modificar una señal eléctrica de salida como respuesta a una de entrada, sirviendo como amplificador, conmutador, oscilador o rectificador de la misma. “Los transistores tienen su origen en la necesidad de controlar el flujo de la corriente eléctrica en diversas aplicaciones, como parte de la evolución del campo de la electrónica.

De acuerdo con la experta, los transistores operan sobre un flujo de corriente, operando como amplificadores, es decir, recibiendo una señal débil y generando una fuerte; o como interruptores, recibiendo una señal y cortándole el paso de la misma. Esto ocurre dependiendo de cuál de las tres posiciones ocupe un transistor en un determinado momento, estas pueden ser: activa, que permite el paso de un nivel de corriente variable; en corte, que no deja pasar la corriente eléctrica; o en saturación, deja pasar todo el caudal de la corriente eléctrica.

“En este sentido, el transistor funciona como una llave de paso de una tubería: si está totalmente abierto deja entrar todo el caudal del agua, si está cerrado no deja pasar nada, y en sus posiciones intermedias deja pasar más o menos agua. Un circuito eléctrico es un componente que funciona a base de diodos, transistores, resistencias y condensadores. Desde niños hemos visto esas tabletas verdes llenas de estos componentes, sin embargo, ese circuito cambió en la forma, pero en el fondo siguen teniendo los mismos elementos, sólo que se han monitorizados a través de los chips”.

Rosario Paredes expuso que los chips semiconductores se generan a través de un proceso en el que pasan 40 veces la impresora litográfica para imprimir los surcos, toma dos meses fabricar una oblea impresa, posteriormente se cortan en pequeños pedazos más pequeños que el tamaño de una uña, y en ese espacio le caben diez mil millones de transistores y cuatro billones de componentes eléctricos que fueron impresos y puestos ahí. El reto de hoy en día es cómo hacer miniatura esos circuitos integrados. Esa es la resolución de los semiconductores. “El reto para el año 2030 es que los circuitos eléctricos integrados tengan la capacidad de contener 30 billones de transistores en un circuito. La Ley de Moore plantea que cada dos años se duplica la cantidad de transistores que caben en un chip semiconductor”, concluyó la científica.

El impacto de la física cuántica en la astronomía 

Por su parte, Luis Felipe Rodríguez Jorge, miembro de El Colegio Nacional, señaló que la ciencia cuántica permitió entender mejor el comportamiento de muchos fenómenos del universo. Por ejemplo, la astrónoma anglo-estadounidense Cecilia Payne utilizó elementos de mecánica cuántica para demostrar que en realidad el universo es mayoritariamente hidrógeno y helio. La determinación de la abundancia relativa de estos dos elementos ha tenido aportaciones importantes.

“En la actualidad, gracias a la mecánica cuántica conocemos muy precisamente la composición química del universo. Las observaciones nos dicen no solamente la composición química, sino también su abundancia y los parámetros como el movimiento, la densidad, la temperatura del objeto estudiado, generalmente estrellas y nebulosas”, enfatizó el colegiado.

Sostuvo que este tipo de espectros y frecuencias los explicó la mecánica cuántica, porque los átomos tienen un núcleo rodeado de una nube de electrones y dependiendo de las cargas y del número de neutrones y protones que guardan, estos electrones pueden cambiar de una frecuencia a otra. “Conocemos mejor la composición química de la superficie de las estrellas que la del interior de la Tierra”.

Lo anterior se logra combinando estudios de las estrellas, del gas entre ellas, el medio interestelar, los procesos explosivos como novas y supernovas; y la fusión de estrellas de neutrones. El astrónomo mexicano también habló de la radiación del cuerpo Negro, un mecanismo de emisión que emite energía a ciertas frecuencias. A principios de siglo, la gente había medido que el espectro de cuerpo negro se había medido que el espectro del cuerpo negro se comporta así, a bajas frecuencias es muy débil, pero sube y luego baja. Esto lo obtuvieron los científicos alemanes, observando la radio que venían de los hornos, les interesaba mucho el proceso de fundición, y estos procesos de altas temperaturas. 

En relación a la fuente de energía de las estrellas, Rodríguez Jorge recordó que las estrellas brillan, producen calor y energía, misma que proviene de un proceso de la física conocido como el “proceso de fusión. La idea es la siguiente: si empiezo con átomos de hidrógeno, que son los átomos más sencillos, y le quito su electrón, lo que me queda es un protón. Si fusiono estos átomos se produce energía y se convierten dos cuerpos en uno. La fusión libera energía y se sabe que, en el Sol, hay un proceso muy complicado que inicia con cuatro núcleos de hidrógeno, y, en las fusiones se libera energía, eso produce el calor del Sol”. 

 La fusión también tenía un problema muy grande que se pudo solucionar con la mecánica cuántica. “Si nosotros pensamos en los protones como dos bolitas, las tratamos de acercar y la fuerza repulsiva las separa, nunca vamos a lograr fusionarlas, pero en realidad una de las cosas que nos dice la mecánica cuántica, es que las cosas antes de medirlas son como difusas, por eso se les describe como una función de onda”.

“La inhomogeneidad del universo joven, es otro fenómeno de la mecánica cuántica. En su inicio, el universo era sumamente homogéneo. Esto no hubiera permitido que se formaran galaxias, estrellas, planetas ni personas. Era necesario que se formarán regiones con más partículas que las otras. Pero esto es un efecto cuántico. Se conoce como la formación de partículas virtuales. La física cuántica permite que, aún en el vacío, se formen partículas virtuales que existen por tiempos brevísimos. Hay que agradecer a esas fluctuaciones que nosotros estemos aquí”, concluyó el colegiado.  

Fuente: El Colegio Nacional