Construyendo la Próxima Generación de Computadoras con Emisores Cuánticos y Láseres Infrarrojos

La historia de las computadoras está entrelazada con la historia de la tecnología moderna. Todo comenzó en el siglo XIX, cuando, en 1801, un comerciante e inventor francés, Marie Jacquard, inventó un telar con tarjetas de madera perforadas para tejer automáticamente diseños de tela.

Sin embargo, el progreso más significativo en la computación automatizada de ese siglo ocurrió cuando el matemático inglés Charles Babbage ideó una máquina calculadora impulsada por vapor capaz de calcular tablas de números. El invento más revolucionario del siglo XX llegó en 1936 de Alan Turing, un científico y matemático británico, quien introdujo una máquina universal, posteriormente llamada Máquina de Turing. Los científicos afirman que el concepto de las computadoras modernas se basa fundamentalmente en las ideas de Alan Turing.

Desde entonces, ha sido una cadena de progreso. En 1939, David Packard y Bill Hewlett fundaron la compañía Hewlett Packard, y en 1953, Grace Hopper desarrolló el primer lenguaje de programación, COBOL, seguido por John Backus y su equipo de programadores en IBM publicando un artículo que describía su recién creado lenguaje de programación FORTRAN.

La corriente de invenciones que enriquecen la tecnología informática a lo largo de los años se ha centrado en múltiples aspectos. A veces, ha sido el desarrollo de un lenguaje o software revolucionario y, otras veces, hardware crucial. Tales invenciones continúan ocurriendo, ayudando a construir la próxima generación de computadoras, algo verdaderamente ‘futurista’, en el sentido más puro del término.

En los siguientes segmentos, examinaremos dos de esas invenciones que involucran Emisores Cuánticos y Láseres Infrarrojos. 

Avanzando Hacia un Gran Avance: Una Computadora Cuántica Escalable

El logro proviene de un equipo de investigadores liderado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Los investigadores afirman haber tenido éxito en su intento de usar una capa de femtosegundos para crear y ‘aniquilar’ qubits dopando silicio con hidrógeno. Los investigadores enfatizaron que podrían llevar a cabo este ejercicio bajo demanda y con precisión. 

¡Pero, para poder comprender la importancia de la investigación en su máxima expresión, debemos saber qué son los qubits y por qué son importantes! 

La Necesidad de Conectar Miles de Millones de Qubits

Quantum computers could prove pathbreaking in their ability to solve problems a million times faster than some of the most advanced supercomputers currently available. These machines have the potential to usher in revolutionary breakthroughs in areas such as healthcare, pharmaceuticals, and artificial intelligence. But for all these to happen, the industry would have to devise a way to string together billions of qubits or quantum bits, leading to the ultimate development of a highly efficient network of quantum computers.

La investigación ha demostrado ahora una manera de potenciar las computadoras cuánticas mediante el uso de qubits ópticos programables o ‘qubits spin-fotón’ que pueden conectar nodos cuánticos a través de una red remota. 

Al explicar la importancia de la investigación y los resultados obtenidos, Kaushalya Jhuria, investigadora postdoctoral en la División de Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada (ATAP) del Berkeley Lab, hizo la siguiente observación:

“Para crear una arquitectura o red cuántica escalable, necesitamos qubits que puedan formarse de manera fiable bajo demanda, en ubicaciones deseadas, de modo que sepamos dónde está ubicado el qubit en un material. Y por eso nuestro enfoque es crítico. Porque una vez que sabemos dónde se encuentra un qubit específico, podemos determinar cómo conectar ese qubit con otros componentes del sistema y crear una red cuántica.”

¿Pero cómo logra la investigación este objetivo? Lo hace formando qubits en silicio con control programable. 

La Historia de los ‘Centros de Color’ del Silicio y los ‘Qubits Spin-Fotón’

Con el apoyo de la Oficina de Ciencia del DOE, el estudio utilizó un entorno gaseoso para crear defectos programables conocidos como “centros de color” en silicio. Estos centros de color son candidatos a “qubits spin-fotón” o qubits especiales de telecomunicaciones.

El quantum o bit cuántico es la unidad básica de información cuántica. Este componente más pequeño de un sistema de información cuántica codifica datos en 1, 0 o cualquier valor intermedio, lo que se conoce como superposición. Los qubits spin-fotón, mientras tanto, emiten fotones con la capacidad de transportar información codificada en el spin del electrón a grandes distancias.

Now, to form these special qubits that can help support a secure quantum network precisely, the study utilized an ultrafast laser capable of emitting energy pulses in mere femtoseconds—each pulse as brief as a quadrillionth of a second, targeted to an area no larger than a dust particle.

Al sondear las señales ópticas (fotoluminiscencia) de los centros de color resultantes usando un detector de infrarrojo cercano con el propósito de caracterizarlos, el equipo encontró un centro Ci, que es un emisor cuántico. El centro Ci tiene una estructura simple y propiedades de spin prometedoras mientras es estable a temperatura ambiente, lo que lo convierte en un candidato bastante impresionante de qubit spin-fotón que emite fotones en la banda de telecomunicaciones o de frecuencia. Según Jhuria:

“Sabíamos por la literatura que el Ci puede formarse en silicio, pero no esperábamos realmente crear este nuevo candidato de qubit spin-fotón con nuestro enfoque.” 

Curiosamente, aumentar la intensidad del láser femtosegundo al procesar silicio en presencia de hidrógeno también puede incrementar la movilidad del hidrógeno. Esto, a su vez, pasiva los centros de color indeseables mientras deja intacta la red de silicio.

Un análisis teórico también confirmó las observaciones experimentales de que el brillo del centro de color Ci puede aumentarse sustancialmente en presencia de hidrógeno. Como explicó Jhuria, los pulsos láser no solo expulsan sino que también devuelven los átomos de hidrógeno, “permitiendo la formación programable de qubits ópticos deseados en ubicaciones precisas.” 

Fabricar centros de color de manera fiable es solo el comienzo; ahora, el equipo quiere que diferentes qubits se comuniquen entre sí y ver cuáles rinden mejor. 

“La capacidad de formar qubits en ubicaciones programables en un material como el silicio, disponible a escala, es un paso emocionante hacia redes y computación cuánticas prácticas.”

– Cameron Geddes, Director de la División ATAP

La técnica se utilizará a continuación para incorporar qubits ópticos en dispositivos cuánticos como guías de ondas, así como para encontrar nuevos candidatos de qubit spin-fotón con propiedades optimizadas para aplicaciones seleccionadas.

Nuevos Enfoques para Lograr la Computación Cuántica: Trabajando con Moléculas

El campo de la computación cuántica ha ganado una tracción significativa a lo largo de los años, con investigadores trabajando constantemente en encontrar nuevas técnicas para lograrlo. La manipulación de moléculas orgánicas es un campo estudiado por su potencial aplicación en la computación cuántica. 

El equipo de la TU Graz investigó cómo estimular moléculas competentes usando pulsos de luz infrarroja para crear pequeños campos magnéticos. Si esta técnica se desarrolla con éxito en experimentos, incluso podría utilizarse en circuitos de computadoras cuánticas.

Esto se debe a que la manipulación selectiva de la luz infrarroja permite controlar la dirección y la intensidad del campo magnético. Al hacer esto, las moléculas se convierten en interruptores ópticos de alta precisión, que luego pueden usarse para construir circuitos para una computadora cuántica, según Andreas Hauser del Instituto de Física Experimental de la TU Graz.

While interactions between molecular vibrations and spin magnetism are well-documented in microwave spectroscopy, this study proposes methods to actively excite molecular vibrations that generate a magnetic field at targeted locations.

Estimulación de Moléculas con Láseres Infrarrojos para Formar Campos Magnéticos

Cuando se irradian con luz infrarroja, las moléculas comienzan a vibrar debido al suministro de energía. Utilizando este fenómeno como punto de partida, los físicos comenzaron a investigar si estas vibraciones podrían, de hecho, usarse para generar campos magnéticos.

Para sus cálculos, Hauser, junto con su equipo, utilizó como ejemplo las ftalocianinas metálicas. El equipo descubrió que, debido a la alta simetría de estas moléculas de tinte aromático plano en forma de anillo, generan pequeños campos magnéticos en el rango de nanómetros (< 1 nm) cuando se exponen a pulsos infrarrojos. Basándose en esto, medir la intensidad del campo bajo pero precisamente localizado mediante espectroscopía de resonancia magnética nuclear debería ser factible.

Además de basarse en el trabajo de la espectroscopía láser de los primeros días, el equipo también utilizó teoría moderna de estructura electrónica en supercomputadoras para calcular cómo actúan las moléculas ftalocianina macrocíclicas cuando se exponen a luz mediante luz infrarroja circularmente polarizada. 

El equipo encontró que las ondas de luz circularmente polarizada excitan simultáneamente dos vibraciones moleculares en ángulos rectos entre sí. Comparándolo con la técnica de rumba, Hauser explicó:

“La combinación correcta de adelante-atrás y izquierda-derecha crea un pequeño bucle cerrado. Y este movimiento circular de cada núcleo atómico afectado realmente genera un campo magnético, pero solo muy localmente, con dimensiones en el rango de unos pocos nanómetros.” 

Todo esto es solo teórico, sin embargo. El equipo ahora trabajará en demostrar que los campos magnéticos moleculares pueden generarse de manera controlada experimentalmente para que realmente puedan ser utilizados. 

Para el experimento, sin embargo, necesitan identificar un sustrato que interactúe mínimamente con los procesos objetivo, ya que las próximas aplicaciones requieren posicionar la molécula ftalocianina sobre una superficie. Hacer esto, sin embargo, altera las condiciones físicas, lo que a su vez impacta la excitación provocada por la luz y las características del campo magnético.

Así que, antes de que pueda probarse realmente en experimentos, el equipo debe primero calcular la interacción entre las ftalocianinas depositadas, la luz infrarroja y el material de soporte. Si el experimento confirma los cambios predichos en las constantes de blindaje magnético, el estudio dice que puede considerarse la primera medición de un campo magnético creado vibracionalmente, con resolución intramolecular. 

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Empresas que Avanzan el Campo de la Computación Cuántica

Hay varias empresas, como Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ) y D-Wave, que están trabajando en avanzar la computación cuántica. IBM es un nombre prominente que se ha centrado en la computación cuántica durante muchos años. Recientemente, se se asoció con el Instituto Nacional de Ciencia e Industria Avanzada de Japón (AIST) para ayudar a este último a producir una computadora cuántica que contenga 10,000 qubits antes de que termine esta década. Así que, en medio de todo este desarrollo, echemos un vistazo más profundo a algunos otros nombres importantes en el sector:

#1. Google 

El gigante tecnológico ha estado dedicando mucho esfuerzo a construir computadoras cuánticas durante muchos años. En 2019, Google demostró por primera vez que las computadoras cuánticas podían ejecutar un algoritmo que sería imposible para una supercomputadora convencional.

El año pasado, el procesador cuántico Sycamore de Google se presentó con 70 qubits, un salto respecto a los 53 qubits de su versión anterior. Esto lo hace aproximadamente 241 millones de veces más rápido y más robusto que el modelo previo. La nueva computadora cuántica de Google, mientras tanto, simula el comportamiento de los imanes en gran detalle y puede ayudarnos a obtener una comprensión más profunda del magnetismo.

En cuanto a la computación cuántica, Google utiliza un enfoque de pila completa, que abarca la integración perfecta de componentes de hardware y software. La compañía está ejecutando actualmente una competencia global de 3 años y $5 millones llamada XPRIZE Quantum Applications para avanzar en el campo de los algoritmos cuánticos.

Con una capitalización de mercado de $2.2 billones, las acciones de Google cotizan a $177.08, un 26.88% de aumento en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de 6.52, un P/E (TTM) de 27.18, y un rendimiento de dividendos del 0.45%. Para el Q1 2024, la compañía reportó ingresos de $80.5 mil millones, un 15% más interanual, mientras que su margen operativo se expandió al 32%.

#2. Dell 

Esta empresa tecnológica también ha comenzado a dar pasos concretos en la computación cuántica. Recientemente, Dell introdujo una plataforma híbrida clásica/cuántica desarrollada con IonQ. También anunció una colaboración con Aramco para explorar avances en computación cuántica, IA y computación de borde. Juntos, Aramco y Dell buscan abordar desafíos complejos en los campos de optimización energética, modelado climático, ciencia de materiales y mantenimiento predictivo mediante la computación cuántica. 

Según Catherine Doyle, directora general de Dell Technologies (DELL ) Irlanda, la computación cuántica también ayudará en los avances de IA ya que “se entrelazará en el futuro cercano.”

Con una capitalización de mercado de $100.74 mil millones, las acciones de Dell cotizan actualmente a $144.50, un 85.66% de aumento en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de 4.36, un P/E (TTM) de 32.55, y un rendimiento de dividendos del 1.25%. Para el Q1 2024, la compañía reportó $22.2 mil millones en ingresos y $60 millones en utilidad neta.

Conclusión

La computación cuántica ha sido un área de interés creciente para investigadores, organizaciones y gobiernos. Debido a su capacidad de ofrecer alta velocidad, mayor seguridad, mayor eficiencia, simulaciones precisas y análisis mejorado, tiene sentido que haya un enfoque incrementado junto con investigación e inversión continuas, lo que podría finalmente ver la computación cuántica convirtiéndose en una realidad y encontrando su aplicación en diversos sectores.

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