El silicio será clave en las computadoras cuánticas

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Las técnicas de fabricación detrás de la informática clásica se abren paso en los dispositivos cuánticos y en las próximas semanas, un grupo de investigación de la Universidad de Tecnología de Delft en los Países Bajos espera recibir un paquete importante. Sus contenidos prometen aumentar la competencia en la carrera por producir computadoras cuánticas útiles basadas en el uso del silicio.

Enviado desde las instalaciones de investigación y desarrollo del gigante de semiconductores Intel en Hillsboro, Oregón, el paquete contiene la primera computadora cuántica fabricada con las técnicas utilizadas para fabricar chips de silicio en computadoras convencionales.

Aunque el método de silicio actualmente está rezagado con respecto a otros enfoques para construir computadoras cuánticas, la compañía espera que la técnica acelere el desarrollo de dispositivos que van más allá de las curiosidades de prueba de concepto, dice James Clarke, quien dirige el desarrollo de hardware cuántico de Intel.

“Creo que escucharán mucho sobre la computación cuántica de silicio este año”, dice Clarke.

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La empresa ubicada en Santa Clara, California es la principal promotora de la investigaciones que potencian el uso del silicio en el desarrollo de computadoras cuánticas. Cortesía: Wikimedia Commons

Las computadoras cuánticas intentan explotar dos fenómenos de pequeña escala para superar a sus contrapartes clásicos, que codifican bits de información como 0s y 1s. En el mundo cuántico, las unidades de información se llaman qubits, y cada qubit puede existir simultáneamente en una “superposición” de 0 y 1. Dos bits también pueden enredarse, de modo que el estado de un qubit determina el estado de su compañero. Esto permite que los dispositivos cuánticos realicen cálculos en paralelo.

Ventajas del silicio frente a otros compuestos usados en las computadoras cuánticas

Los físicos en muchos laboratorios han desarrollado prototipos de computadoras cuánticas, que a menudo operan a temperaturas cercanas al cero absoluto. Los candidatos principales en la carrera de desarrollo de esta tecnología utilizan uno de los dos métodos para codificar los qubits: iones individuales mantenidos en trampas, o corrientes oscilantes en bucles superconductores. Ambos sistemas requieren un control extremo: la técnica de iones usa sistemas láser complejos para leer y escribir cada qubit, y los qubits superconductores deben tener un dispositivo que para poder controlarlos, utilizan ondas de radio.


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Los defensores de la técnica del silicio ven grandes ventajas en el uso de un semiconductor para codificar qubits. Se pueden manipular mucho más simplemente utilizando cables eléctricos microscópicos grabados directamente en el chip. Y si las mismas técnicas de fabricación a gran escala para fabricar chips pudieran transferirse al ámbito cuántico, podría ser más fácil convertir la tecnología en productos comerciales.

Y ya la técnica está ganando adeptos: físicos como Michelle Simmons en la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Sydney, Australia, están desarrollando sus propias formas de construir computadoras cuánticas utilizando silicio. En mayo de 2017, fundó una start-up de $ 83 millones australianos (US $ 65 millones) llamada Silicon Quantum Computing, respaldada en parte por el gobierno australiano.

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El silicio podría abaratar los costos del desarrollo de computadoras cuánticas. Cortesía: Computer Hoy

Se basan en el uso de una combinación de microscopía de efecto túnel y epitaxia de haz molecular, en donde, los átomos dopantes P se colocan de forma controlada en dispositivos de Silicio con precisión atómica. Esto ha llevado al desarrollo de cables conductores más angostos fabricados en silicio, el desarrollo de los transistores de precisión más pequeños y arquitecturas complejas de un solo átomo para qubits de espín.

Pero… ¿es esta técnica novedosa?

La idea de construir computadoras cuánticas sin silicio no es nueva. Bruce Kane, un físico experimental en la Universidad de Maryland en College Park, sugirió por primera vez los qubits de codificación en la orientación magnética, o ‘giro’, de los núcleos de fósforo incrustados en el silicio hace 20 años.

Por otra parte al mismo tiempo de las investigaciones de Kane, David DiVincenzo, físico teórico en IBM en Yorktown Heights, Nueva York, y su colaborador Daniel Loss en la Universidad de Basilea en Suiza propusieron una forma de almacenar información en los giros de los electrones móviles dentro de los semiconductores. Ambas propuestas condujeron a una serie de demostraciones experimentales pero, durante mucho tiempo, la calidad de los materiales limitó el progreso.


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Como el campo del desarrollo y técnicas de manejo del silicio molecular no avanzaban o no eran rentables era poco práctico continuar las investigaciones en este campo. Pero  Simmons desarrolló una técnica de fabricación basada en el manejo de silicio que requiere menos cables de control, evitando problemas inevitables de apiñamiento una vez que los dispositivos cuánticos se amplían, dice la físico a Nature lo que dará las bases para el reinicio del uso del silicio en las computadoras cuánticas. “Quiero diseñar todo lo que no es esencial y hacer las cosas lo más simples posible”.

En 2017, dos grupos alcanzaron un hito cuando diseñaron los primeros dispositivos de dos qubits totalmente controlables, en silicio. Jason Petta, físico de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey y sus colaboradores lograron esa hazaña, al igual que un equipo liderado por Lieven Vandersypen en Delft. Intel, que está invirtiendo US $ 50 millones durante 10 años en Delft, ahora fabrica dispositivos de giro de electrones de qubits múltiples para Vandersypen, en el mismo tipo de fábrica donde desarrolla técnicas de fabricación de microprocesadores.

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Y ya varias empresas importantes dirigen sus enfoques a esta técnica de quantum-procesadores fabricados con silicio. Google, IBM y otras varias otras compañías junto con laboratorios académicos están utilizando diferentes técnicas para construir computadoras cuánticas con alrededor de 50 qubits superconductores. Simmons apunta a construir una máquina de diez qubits dentro de cinco años. Y por su parte Intel, prosiguen adelante confiados en el éxito de esta forma de construcción cuántica que garantiza un correcto y eficiente desarrollo al respaldar más de un enfoque técnico.

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