Ingeniería cuántica

Histórico impulso a la computación cuántica

Por primera vez es posible diseñar nuevos materiales a nivel subatómico

Histórico impulso a la computación cuántica
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Redacción T21

Por primera vez en el mundo, una computadora cuántica ha sido capaz de imitar la naturaleza a nivel atómico utilizando un chip que integra todos los componentes que se encuentran en un chip informático clásico, pero a escala atómica.

Un equipo de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW Sídney), dirigido por la profesora Michelle Simmons, ha diseñado un procesador cuántico a escala atómica para simular el comportamiento de una pequeña molécula orgánica, resolviendo así un desafío planteado hace unos 60 años por el físico teórico Richard Feynman.

Simmons recuerda que, en la década de 1950, Richard Feynman dijo que nunca entenderemos cómo funciona el mundo, cómo funciona la naturaleza, a menos que podamos comenzar a hacerlo en la misma escala. Y añade: “si podemos comenzar a comprender los materiales a ese nivel, podemos diseñar cosas que nunca se han hecho”.

El logro, que se produjo dos años antes de lo previsto, representa un hito importante en la carrera por construir la primera computadora cuántica del mundo, y demuestra la posibilidad de controlar los estados cuánticos de electrones y átomos en el silicio a un nivel exquisito que no se había logrado antes, según los investigadores.

Procesador cuántico integrado

Se trata de un procesador cuántico integrado para modelar con precisión los estados cuánticos de una pequeña molécula de poliacetileno orgánico, que ayudará a crear nuevos materiales.

El avance ayudará a las industrias a construir modelos cuánticos para una gama de nuevos productos, como farmacéuticos, materiales para baterías y catalizadores, según el gobierno australiano.

Simmons y su equipo no solo crearon lo que es esencialmente un procesador cuántico funcional, sino que también lo probaron con éxito al modelar una pequeña molécula en la que cada átomo tiene múltiples estados cuánticos, algo que una computadora tradicional tendría dificultades para lograr.

Esto sugiere que estamos un paso más cerca de usar el poder de procesamiento cuántico para comprender más sobre el mundo que nos rodea, incluso en la escala más pequeña, destaca la revista ScienceAlert.

Tecnología aplicada

Añade que, para dar este salto en la computación cuántica, los investigadores utilizaron un microscopio de túnel de barrido (que se usa para tomar imágenes de superficies a nivel atómico) en un vacío ultraalto (cuya presión es inferior a 10–7 mbar) para colocar puntos cuánticos con precisión subnanométrica.

La ubicación de cada punto cuántico debía ser la correcta para que el circuito pudiera imitar cómo saltan los electrones a lo largo de una cadena de carbonos de enlace simple y doble en una molécula de poliacetileno.

Las partes más complicadas fueron averiguar: exactamente cuántos átomos de fósforo debería haber en cada punto cuántico; exactamente a qué distancia debe estar cada punto; y luego diseñar una máquina que pudiera colocar los pequeños puntos exactamente en la disposición correcta dentro del chip de silicio.

El chip cuántico final contenía 10 puntos cuánticos, cada uno compuesto por una pequeña cantidad de átomos de fósforo. Los enlaces dobles de carbono se simularon poniendo menos distancia entre los puntos cuánticos que los enlaces de carbono simples.

Se eligió el poliacetileno porque es un modelo muy conocido y, por lo tanto, podría usarse para demostrar que la computadora estaba simulando correctamente el movimiento de los electrones a través de la molécula.

Michelle Simmons, protagonista de esta proeza tecnológica. / SQC

Hito histórico

Simmons destaca asimismo que el desarrollo de las computadoras cuánticas se encuentra en una trayectoria comparable a la evolución de las computadoras clásicas: de un transistor en 1947 a un circuito integrado en 1958, y luego a pequeños chips informáticos que se convirtieron en productos comerciales, como calculadoras, aproximadamente cinco años después. “Ahora estamos replicando esa hoja de ruta para las computadoras cuánticas”, añade.

Explica que “comenzamos con un transistor de un solo átomo en 2012. Y este último resultado, realizado en 2021, es el equivalente al circuito integrado cuántico a escala atómica, dos años antes de tiempo. Si lo comparamos con la evolución de la computación clásica, estamos prediciendo que deberíamos tener algún tipo de resultado comercial de nuestra tecnología dentro de cinco años”.

Una de las ventajas que trae esta investigación es que la tecnología es escalable porque logra usar menos componentes en el circuito para controlar los cúbits, que son los bits básicos de la información cuántica.

“En los sistemas cuánticos, necesitas algo que cree los cúbits, algún tipo de estructura en el dispositivo que te permita formar el estado cuántico”, dice el profesor Simmons.

Átomos que crean cúbits

“En nuestro sistema, los propios átomos crean los cúbits, lo que requiere menos elementos en los circuitos. Solo necesitábamos seis puertas metálicas para controlar los electrones en nuestro sistema de 10 puntos; en otras palabras, tenemos menos puertas que componentes activos del dispositivo”.

Y marca claramente la diferencia: “la mayoría de las arquitecturas de computación cuántica necesitan casi el doble o más de los sistemas de control para mover los electrones en la arquitectura cúbit”.

Al necesitar menos componentes empaquetados estrechamente, se minimiza la cantidad de cualquier interferencia con los estados cuánticos, lo que permite que los dispositivos se amplíen para crear sistemas cuánticos más complejos y potentes.

De cara al futuro, la profesora Simmons y sus colegas explorarán compuestos más grandes que pueden haberse predicho teóricamente, pero que nunca se habían simulado ni comprendido por completo, como los superconductores de alta temperatura.

Referencia

Engineering topological states in atom-based semiconductor quantum dots. M. Kiczynski et al. Nature, Volume 606, pages694–699 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-04706-0

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