¿Pueden los diamantes desbloquear qubits mejorados para la computación cuántica!

Usando diamantes para la computación cuántica

A diferencia de las computadoras normales que utilizan bits (0 y 1), las computadoras cuánticas utilizan “qubits”. Los qubits pueden existir en múltiples estados simultáneamente gracias a dos propiedades cuánticas: superposición y entrelazamiento.

• Superposición permite que los qubits representen tanto 0 como 1 al mismo tiempo, aumentando exponencialmente los datos que se pueden procesar en comparación con los bits clásicos.
• Entrelazamiento enlaza los qubits de tal manera que el estado de un qubit puede afectar instantáneamente a otro, incluso a grandes distancias.

Estas propiedades permiten que las UCP (Unidades de Procesamiento Cuántico) resuelvan problemas muy complejos mucho más rápido que las computadoras clásicas al explorar múltiples soluciones simultáneamente.

“La ventaja de los qubits es que pueden contener mucha más información que los bits regulares. Esto significa que también pueden darnos mucha más información sobre su entorno, lo que los hace extremadamente valiosos como sensores, por ejemplo.”

Alastair Stacey – Investigador principal y jefe de materiales y dispositivos cuánticos en PPPL.

Sin embargo, los qubits son extremadamente frágiles, y medir sus propiedades no es una tarea fácil.

¿Qué pasa si en lugar de eso contamos con uno de los materiales más duros de la Tierra, el diamante, para realizar tareas en nuestra computadora más avanzada? Esta es la visión de los investigadores de la Universidad de Princeton, que publicaron recientemente en Diamond And Related Materials, bajo el título “Modelo de química cuántica de reacciones de superficie y modelo cinético de crecimiento de diamante: Efectos de radicales CH₃ y moléculas C₂H₂ a bajas temperaturas CVD¹“.

Esto se une a los trabajos de otros investigadores de la Universidad de Melbourne y la Universidad de Princeton, publicados bajo el título “Métodos para la terminación de hidrógeno que preserva el centro de color de diamante².”

Creciendo diamantes a demanda

Los diamantes, históricamente solo una piedra natural, se fabrican en su mayoría a partir de carbono crudo en la actualidad. Sin embargo, este proceso requiere un calor y una presión muy intensos, por lo que no se puede combinar con otros materiales como el silicio utilizado en los chips de computadora. Para esto, se necesita una fabricación de diamantes a bajas temperaturas.

Algunos métodos ya se han explorado, como el uso de acetileno y una técnica llamada “depositación química de vapor mejorada con plasma”.

Fuente: PPPL

El problema con esto es que, si bien puede crecer diamantes microscópicos, también deposita mucha hollín, que puede crecer sobre el diamante y inhibir el rendimiento para la óptica, sensores y chips. Hasta ahora no estaba claro por qué se formaba el hollín en lugar de diamantes.

Temperatura de oro y hidrógeno

Los investigadores encontraron que hay una temperatura precisa en la que el proceso crea un diamante. Por encima de esta temperatura crítica, el acetileno contribuye principalmente al crecimiento del diamante. Por debajo de esta temperatura crítica, contribuye principalmente al crecimiento del hollín.

Fuente: Diamond And Related Materials

Otro factor es la actividad de los átomos de hidrógeno cerca de la superficie del diamante. Con más hidrógeno cerca de la superficie, se pueden formar más diamantes, incluso a temperaturas más bajas.

“Los átomos de hidrógeno no alimentan directamente el crecimiento del diamante, pero la disociación del hidrógeno, o descomposición, es crucial para transformar el metano en acetileno y transportar hidrógeno atómico a la superficie de crecimiento del diamante. Ambos son importantes para el crecimiento del diamante,”

Alexander Khrabry – Investigador de la Universidad de Princeton

Juntos, estos conocimientos sobre la formación de diamantes abren el camino para crear diamantes microscópicos de manera confiable dentro de semiconductores de silicio sin dañar el resto del material con altas temperaturas o crear hollín no deseado.

Diamantes cuánticos

Los diamantes simples hechos solo de carbono podrían tener algunas aplicaciones en óptica y sensores. Pero formas más avanzadas de diamantes podrían ser aún más útiles.

Por ejemplo, los diamantes cuánticos se crean cuando algunos de los átomos de carbono que forman el diamante se reemplazan con otros átomos, como el nitrógeno, y algunos otros átomos de carbono se eliminan. Esto crea un llamado centro de nitrógeno-vacante (NV).

En tal diamante, los electrones comienzan a seguir reglas cuánticas en lugar de la física clásica, lo que podría usarse para construir qubits.

“Los electrones en este material no se comportan según las leyes de la física clásica como las partículas más pesadas. En cambio, como todos los electrones, se comportan según las leyes de la física cuántica.”

Alastair Stacey – Investigador principal y jefe de materiales y dispositivos cuánticos en PPPL.

Perfeccionando la receta del diamante

Hasta ahora, el método de usar plasma para crear diamantes ha sido muy impreciso. Ha sido más un proceso de prueba y error, ya que la teoría de lo que sucede exactamente en la superficie del diamante no se entiende bien.

Idealmente, el plasma también podría usarse para agregar una capa monoatómica de hidrógeno sobre el diamante. Pero en el caso de los diamantes cuánticos, la alta temperatura destruiría el centro de nitrógeno-vacante.

Así que los investigadores construyeron un sistema analítico elaborado (usando espectroscopía de fotoluminiscencia) para juzgar qué funciona mejor para crear una capa de hidrógeno en diamantes NV.

Fuente: Advanced Materials Interface

Encontraron que 2 nuevos métodos podrían usarse, aunque cada uno con sus propias desventajas por ahora.

Fuente: Advanced Materials Interface

• Recocido con gas de formación, que utiliza una mezcla de moléculas de hidrógeno y gas nitrógeno, funcionó pero requirió gas de hidrógeno muy puro sin oxígeno, algo difícil de lograr a bajas temperaturas.
• Terminación de plasma frío, que utiliza plasma de hidrógeno indirectamente, no dañó el centro NV y fue más fácil de implementar, pero creó una capa de hidrógeno de menor calidad en el diamante.

“Esto destaca el compromiso entre la calidad de la superficie y las propiedades de NV que tendrán que equilibrarse en aplicaciones futuras. Por ejemplo, en proyectos de detección de biomoléculas, es absolutamente crucial que los NV se preserven cerca de las superficies.”

Daniel McCloskey – Investigador en la Universidad de Melbourne.

En general, estos descubrimientos abren el camino a algunas nuevas aplicaciones para los diamantes que antes eran difíciles o imposibles:

• Producción directa sobre semiconductores de silicio, integrando diamantes directamente en circuitos, sensores y transistores.
• Producción de diamantes cuánticos en qubits funcionales, incluyendo una capa de hidrógeno finamente ajustada en la superficie del diamante.

Nuevas computadoras cuánticas

Las computadoras cuánticas se han construido hasta ahora con métodos conocidos que provienen de las tácticas de fabricación tradicionales utilizadas por la industria de los semiconductores. Pero con la tecnología cuántica tan diferente de la computación normal, tiene sentido que los nuevos materiales sean una mejor opción que el silicio tradicional.

Esto puede incluir diamantes, que un día permitirán la computación cuántica a temperatura ambiente, lo que no solo disminuiría los costos drásticamente sino que también ayudaría a crear computadoras cuánticas más grandes.

“Crear un simulador cuántico con más de 50 qubits y una computadora cuántica a temperatura ambiente abre la puerta a escalar hacia un número mayor de qubits, como 100 o 1000, lo que sería un cambio de juego para áreas como la criptografía, la inteligencia artificial y la ciencia de materiales.

Esta capacidad permitiría a los científicos descubrir medicamentos que salvan vidas más rápido, resolver problemas de optimización difíciles o desarrollar tecnologías que ahorran energía de manera más eficiente.”

Martin Koppenhöfer – Coordinador de proyectos en SPINUS

Además de los diamantes, otros materiales innovadores como, por ejemplo, resonadores nanomecánicos piezoeléctricos hechos de nitruro de aluminio también podrían usarse para sensores cuánticos o transductores cuánticos.

En general, es probable que los materiales avanzados nuevos sean una alternativa sólida al silicio y empujen la promesa de la computación cuántica mucho más allá de lo que podríamos adivinar hoy.

Invertir en computación cuántica

La computación cuántica apenas está comenzando, pero ya ha llamado la atención de todas las grandes empresas de computación que han impulsado la revolución del silicio hasta ahora.

Puede que siempre esté limitada a aplicaciones de nicho más que reemplazar a nuestras computadoras, pero podría convertirse en instrumental en la modelización de la física, la biología, la ciencia de materiales, la criptografía y las aplicaciones militares.

Puede invertir en empresas de computación cuántica a través de muchos corredores, y puede encontrar aquí, en securities.io, nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como muchos otros países.

Si no está interesado en elegir empresas específicas, también puede buscar ETF como el ProShares Nanotechnology ETF (TINY) o el Fondo de computación en la nube de WisdomTree (WCLD) que proporcionarán una exposición más diversificada para capitalizar las acciones de tecnología cuántica y nanotecnología.

O puede buscar en nuestra lista de las “10 mejores acciones de nanotecnología” y “5 mejores empresas de computación cuántica”.

Empresas de computación cuántica

International Business Machines Corporation (IBM) fue la fuerza líder detrás de la comercialización de la primera computadora principal.

Sin embargo, ha quedado atrás en la producción de volumen de otras empresas de tecnología como Apple (AAPL ), TSMC (TSM ) y NVIDIA (NVDA )

Está, sin embargo, a la vanguardia del desarrollo de computadoras cuánticas. Por ejemplo, desarrolló su computadora cuántica “Eagle” de 127 qubits, que fue seguida por un sistema de 433 qubits conocido como “Osprey”.

Y esto ahora está seguido por “Condor”, un procesador cuántico de 1,121 qubits superconductores basado en tecnología de puerta de resonancia cruzada, junto con “Heron”, un procesador cuántico en el límite del campo.

Las computadoras cuánticas podrían beneficiarse del control magnético mejorado, lo que mejora la estabilidad y la confiabilidad de los qubits, esencial para el poder de procesamiento.

De manera similar, los avances en superconductores, que dependen de campos magnéticos controlados, podrían conducir a una transmisión de energía y sistemas de enfriamiento más eficientes, particularmente a temperaturas más altas.

IBM está involucrada en la mayoría de las otras innovaciones de vanguardia en computación y la industria de los semiconductores. Estos incluyen materiales orgánicos conductores, computación neuromórfica, dispositivos fotónicos, etc.

Hasta cierto punto, IBM se ha convertido en una “empresa de patentes” con experiencia en el desarrollo de nuevos métodos de computación y la licencia de estos a la industria.

Hasta ahora, parece muy decidida a mantener tantas patentes clave en todos los métodos de computación no de silicio que pueda obtener, replicando su éxito pasado cuando contribuyó en gran medida al desarrollo de la industria de los semiconductores en el gigante que es hoy.

Referencia de estudio:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Modelo de química cuántica de reacciones de superficie y modelo cinético de crecimiento de diamante: Efectos de radicales CH₃ y moléculas C₂H₂ a bajas temperaturas CVD. Diamond and Related Materials, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, D. J., Stacey, A., de Leon, N. P., & Kaganovich, I. D. (2024). Métodos para la terminación de hidrógeno que preserva el centro de color de diamante. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}