Computación
Construyendo la Próxima Generación de Computadoras con Emisores Cuánticos y Láseres Infrarrojos
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La historia de las computadoras está ligada al desarrollo de la automatización. En 1801, el inventor francés Joseph Marie Jacquard presentó un mecanismo para controlar telares mediante tarjetas perforadas que codificaban los patrones del tejido. Este sistema influyó después en el desarrollo de máquinas de cálculo.
En el siglo XIX, Charles Babbage diseñó la máquina diferencial para calcular tablas numéricas y, posteriormente, la máquina analítica de propósito general. En 1936, Alan Turing describió un modelo teórico de computación que hoy conocemos como máquina de Turing, fundamental para la informática.
David Packard y Bill Hewlett fundaron Hewlett-Packard en 1939. Grace Hopper desarrolló compiladores tempranos e influyó en la creación de COBOL en 1959. Por su parte, el equipo de IBM dirigido por John Backus desarrolló FORTRAN, cuya primera versión se publicó en 1957.
Los avances informáticos abarcan lenguajes, programas y componentes físicos. La próxima generación de computadoras también depende de progresos en varias de estas áreas.
A continuación examinamos dos investigaciones presentadas en 2024 sobre emisores cuánticos en silicio y moléculas controladas mediante luz infrarroja.
Hacia la computación cuántica escalable: emisores programables
Un equipo dirigido por Lawrence Berkeley National Laboratory desarrolló un método para crear y desactivar localmente defectos emisores de luz en silicio mediante un láser de femtosegundos y el control del hidrógeno. Estos defectos son candidatos a componentes de qubits; el trabajo aborda su fabricación localizada.
Para entender su importancia, conviene recordar qué son los qubits y cómo podrían conectarse.
El reto de conectar numerosos qubits
Las computadoras cuánticas podrían acelerar determinadas tareas en química, investigación farmacéutica y otras áreas. La ventaja depende del algoritmo y del dispositivo. Los sistemas de gran escala requerirán conexiones fiables entre muchos qubits o bits cuánticos. Su número depende de la tarea y de la corrección de errores, así como de si se cuentan qubits físicos o lógicos.
El método de Berkeley Lab podría ayudar a fabricar qubits ópticos programables. Los sistemas de espín-fotón permiten vincular información almacenada en la materia con fotones, una capacidad útil para conectar nodos de una red cuántica.
Kaushalya Jhuria, investigadora posdoctoral de la división ATAP de Berkeley Lab, destacó la importancia de conocer y controlar la posición de los qubits:
«Para crear una arquitectura o red cuántica escalable, necesitamos qubits que puedan formarse de manera fiable, bajo demanda y en los lugares deseados, de modo que sepamos dónde está cada qubit en el material».
Conocer esa posición permite diseñar su conexión con otros componentes. La investigación busca proporcionar ese control durante la fabricación en silicio.
Centros de en silicio y qubits de espín-fotón
Con apoyo de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, el estudio utilizó un entorno gaseoso y tratamientos con láser para formar centros de color en silicio. Estos defectos de la red cristalina pueden actuar como emisores cuánticos y son candidatos para sistemas de espín-fotón.
Un qubit es la unidad básica de información cuántica. Su estado puede ser una superposición de los estados base 0 y 1, descrita mediante amplitudes complejas. En un sistema de espín-fotón, la información asociada al espín puede vincularse a fotones para su transmisión.
El láser produce pulsos ultracortos: un femtosegundo equivale a 10⁻¹⁵ segundos. Al concentrarlos en una región pequeña se puede tratar el silicio con precisión. La integración de estos emisores en una red requiere otros componentes y pruebas.
El equipo caracterizó la fotoluminiscencia con un detector de infrarrojo cercano e identificó centros Cᵢ. Su estructura sencilla, estabilidad a temperatura ambiente y propiedades de espín los hacen interesantes como candidatos. Emiten fotones en una banda de telecomunicaciones. Jhuria explicó:
«Sabíamos por la literatura que podían formarse centros Cᵢ en silicio, pero no esperábamos obtener este nuevo candidato a qubit de espín-fotón con nuestro método».
Una intensidad láser baja en presencia de hidrógeno ayudó a formar centros Cᵢ. Al aumentar la intensidad, el hidrógeno adquirió mayor movilidad, lo que permitió pasivar centros no deseados sin dañar la red de silicio.
Los cálculos teóricos apoyaron la observación de que el hidrógeno puede aumentar considerablemente el brillo del centro Cᵢ. El láser permite controlar su activación y pasivación en lugares seleccionados.
El siguiente objetivo era estudiar la conexión entre distintos qubits y comparar su rendimiento.
«Poder formar qubits en posiciones programadas dentro de un material disponible a gran escala, como el silicio, es un paso estimulante hacia redes y computación cuánticas prácticas».
— Cameron Geddes, director de la división ATAP
El equipo planeaba integrar emisores ópticos en dispositivos como cavidades reflectantes y guías de ondas, además de buscar candidatos con propiedades adecuadas para diferentes aplicaciones.
Otra vía de investigación: controlar moléculas
El estudio de moléculas ofrece otras posibilidades para los dispositivos cuánticos. Algunas propuestas buscan controlar sus propiedades magnéticas mediante la luz.
Investigadores de TU Graz calcularon cómo estimular moléculas adecuadas con pulsos infrarrojos para generar pequeños campos magnéticos. La aplicación a circuitos cuánticos dependería de confirmar y controlar el efecto experimentalmente.
Según Andreas Hauser, la elección de la luz podría permitir controlar la dirección y la intensidad de estos campos locales. Se trata de una propuesta para manipular propiedades magnéticas a escala molecular.
La relación entre vibraciones moleculares y magnetismo se estudia en espectroscopia. Este trabajo propone excitar activamente esas vibraciones para producir campos en posiciones muy localizadas.
Vibraciones moleculares inducidas por láseres infrarrojos
La absorción de luz infrarroja puede excitar vibraciones moleculares. Como los núcleos atómicos tienen carga eléctrica, un movimiento coordinado de estas cargas puede generar un campo magnético.
El equipo calculó el comportamiento de ftalocianinas metálicas, moléculas de colorante planas y con forma de anillo. Su simetría favorece la generación de campos locales a escala nanométrica. Los cálculos sugieren que el efecto podría medirse mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear.
Los investigadores combinaron trabajos previos de espectroscopia láser con teoría moderna de estructura electrónica y cálculos en supercomputadoras para estudiar la respuesta a luz infrarroja de polarización circular.
La luz puede excitar dos vibraciones perpendiculares con un desfase adecuado, de modo que su combinación produce un movimiento circular. Hauser lo comparó con una secuencia de baile:
«La combinación adecuada de movimiento hacia delante y atrás y hacia izquierda y derecha crea un pequeño bucle cerrado. Este movimiento circular de los núcleos genera un campo magnético muy local, a escala de unos pocos nanómetros».
El trabajo era teórico. Los investigadores planeaban pruebas experimentales de generación controlada de estos campos.
Para medir el efecto y desarrollar aplicaciones hay que colocar las moléculas sobre un sustrato. Este puede alterar la excitación y las propiedades del campo, por lo que debe elegirse cuidadosamente.
El equipo planeaba calcular primero la interacción entre moléculas, sustrato y luz infrarroja. La medición de los cambios previstos en las constantes de apantallamiento magnético podría aportar evidencia del campo inducido por vibraciones con resolución intramolecular.
Más información sobre Heron y Condor y otros avances en procesadores cuánticos.
Empresas que desarrollan tecnologías cuánticas
Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ), D-Wave e IBM trabajan en distintas tecnologías cuánticas. En 2024, la prensa informó de una colaboración prevista entre IBM y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón (AIST) para desarrollar un sistema de 10.000 qubits hacia 2029. Era un objetivo de desarrollo. A continuación examinamos otras actividades de Google y Dell.
#1. Google
En 2019, Google demostró una ventaja computacional en una tarea concreta de muestreo de circuitos aleatorios frente a los métodos clásicos utilizados entonces como referencia. Esa demostración no implicaba una ventaja para cualquier aplicación.
En 2023, Google presentó experimentos con hasta 70 qubits, frente a los 53 de la demostración anterior. La dificultad de simulación clásica aumentó, pero el número de qubits no se traduce directamente en una velocidad general 241 millones de veces mayor. Google también investiga la simulación de sistemas cuánticos y fenómenos magnéticos.
Google desarrolla hardware y software cuántico de forma conjunta. En 2024, Google, XPRIZE y GESDA lanzaron XPRIZE Quantum Applications, un concurso de tres años y cinco millones de dólares para explorar aplicaciones prácticas de algoritmos cuánticos.
GOOGL Gráfico de precios
En la referencia de mercado de 2024 utilizada por el artículo, Alphabet tenía una capitalización aproximada de 2,2 billones de dólares y sus acciones cotizaban a 177,08 dólares, un 26,88% por encima del inicio del año. El beneficio por acción de los últimos doce meses era 6,52; el P/E, 27,18; y la rentabilidad por dividendo, 0,45%. En el primer trimestre de 2024, Alphabet registró ingresos de 80.500 millones de dólares, un 15% más interanual, y un margen operativo del 32%.
#2. Dell
Dell desarrolló con IonQ una solución que combina computación clásica y cuántica. En 2024 anunció un memorando con Aramco para explorar oportunidades en IA, computación periférica y cuántica, entre otras áreas. Los posibles campos de estudio incluían optimización energética, modelado meteorológico, materiales y mantenimiento predictivo.
Catherine Doyle, directora general de Dell Technologies (DELL ) en Irlanda, destacó la posible relación entre la evolución de la IA y la computación cuántica.
DELL Gráfico de precios
En la referencia de mercado de 2024 del artículo, Dell tenía una capitalización de 100.740 millones de dólares y sus acciones cotizaban a 144,50 dólares, un 85,66% más desde el inicio del año. El beneficio por acción de los últimos doce meses era 4,36; el P/E, 32,55; y la rentabilidad por dividendo, 1,25%. En su primer trimestre fiscal de 2025, terminado el 3 de mayo de 2024, Dell registró ingresos de unos 22.200 millones de dólares y un beneficio neto GAAP consolidado de 955 millones. El beneficio atribuible a Dell Technologies Inc. fue de 960 millones de dólares.
Conclusión
La computación cuántica atrae investigación e inversión por sus posibles ventajas en tareas específicas de simulación y cálculo. Los estudios descritos exploran componentes y mecanismos de control que podrían contribuir a futuros sistemas. Convertirlos en aplicaciones amplias y fiables requiere más desarrollo.
Más información sobre el estado actual de la computación cuántica.
