Los científicos han creado una forma mejorada y ultrapura de silicio que algún día podría ser la base de “qubits de giro de silicio” altamente confiables en poderosas computadoras cuánticas.
Mientras que los bits en las computadoras clásicas codifican datos como 1 o 0, los qubits en computadoras cuánticas puede ser una superposición de estos dos estados, lo que significa que pueden alcanzar un estado cuántico conocido como “coherencia” y ocupar 1 y 0 en paralelo mientras procesan los cálculos.
Estas máquinas podrían ser potencialmente más poderosas que las las supercomputadoras más rápidas del mundo pero se necesitarían alrededor de un millón de qubits para lograrlo, dijeron los científicos. La computadora cuántica más grande de la actualidad tiene aproximadamente 1.000 qubits.
Pero un desafío clave con la computación cuántica es que los qubits son “ruidosos”, lo que significa que son muy propensos a sufrir interferencias, como cambios de temperatura, y necesitan ser enfriados a cerca de cero absoluto. De lo contrario, fácilmente pierden información y fallan a mitad de las operaciones.
Esto significa que incluso si tuviéramos una computadora cuántica con millones de qubits, muchos de ellos serían redundantes incluso con tecnologías de corrección de erroreshaciendo que la máquina sea extremadamente ineficiente.
Aprovechando la computación cuántica de silicio
Los qubits normalmente están hechos de metales superconductores. como el tantalio y el niobio porque poseen una conductividad casi infinita y una resistencia casi infinita.
Pero en un nuevo estudio, publicado el 7 de mayo en la revista Materiales de comunicación de la naturalezalos investigadores propusieron utilizar una forma nueva y pura de silicio (el material semiconductor utilizado en las computadoras convencionales) como base para un qubit que es mucho más escalable que las tecnologías existentes.
Construir qubits a partir de materiales semiconductores como silicio, galio o germanio tiene ventajas sobre los qubits metálicos superconductores, según el empresa de computación cuántica QuEra. Los tiempos de coherencia son relativamente largos, su fabricación es barata, funcionan a temperaturas más altas y son extremadamente pequeños, lo que significa que un solo chip puede contener una gran cantidad de qubits. Pero las impurezas en los materiales semiconductores provocan decoherencia durante los cálculos, lo que los hace poco fiables.
En el nuevo estudio, los científicos propusieron hacer un qubit a partir de silicio-28 (Si-28), que describieron como “el silicio más puro del mundo”, después de eliminar las impurezas que se encuentran en el silicio natural. Estos qubits basados en silicio serían menos propensos a fallar, dijeron, y podrían fabricarse del tamaño de la cabeza de un alfiler.
El silicio natural normalmente se compone de tres isótopos, o átomos de diferentes masas: Si-28, Si-29 y Si-30. El silicio natural funciona bien en la informática convencional debido a sus propiedades metaloides, pero surgen problemas cuando se utiliza en la computación cuántica.
En particular, el Si-29, que constituye el 5% del silicio natural, provoca un “efecto de balanceo nuclear” que provoca decoherencia y pérdida de información. En el estudio, los científicos solucionaron este problema desarrollando un nuevo método para diseñar silicio sin átomos de Si-29 y Si-30.
Computación cuántica más barata y escalable
“Lo que hemos podido hacer es crear efectivamente un ‘ladrillo’ crítico necesario para construir una computadora cuántica basada en silicio”, dijo el autor principal del estudio. Richard Curry, dijo en un comunicado. “Es un paso crucial para hacer factible una tecnología que tiene el potencial de ser transformadora para la humanidad”.
En teoría, los componentes para computadoras cuánticas basadas en silicio podrían construirse utilizando los mismos métodos utilizados para fabricar chips electrónicos clásicos, que pueden colocar miles de millones de transistores en una pequeña placa de circuito, dijeron los científicos. Los qubits de silicio, o qubits de espín de silicio, no son nada nuevo, pero la calidad del silicio nunca ha sido tan pura, agregaron, lo que se determina basándose en pruebas de microscopía.
Los qubits basados en silicio también podrían fabricarse mucho más fácilmente que otros tipos de qubit debido a los métodos de fabricación de chips existentes. Y, por lo tanto, las computadoras cuánticas que los utilizan pueden escalarse a la región del millón de qubits mucho más rápidamente que los métodos de la competencia, dijeron los investigadores.
“Ahora que podemos producir silicio-28 extremadamente puro, nuestro siguiente paso será demostrar que podemos mantener la coherencia cuántica para muchos qubits simultáneamente”, afirma el cosupervisor del proyecto. David Jamieson, dijo en el comunicado profesor de física de la Universidad de Melbourne. “Un ordenador cuántico fiable con sólo 30 qubits superaría la potencia de los superordenadores actuales para algunas aplicaciones”.