¿Podrían los diamantes desbloquear qubits mejorados para la computación cuántica?

Uso del diamante para la computación cuántica

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

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

Estas propiedades permiten a las QPU resolver problemas altamente 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- Físico principal de investigación 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.

¿Y si en su lugar confiáramos en uno de los materiales más duros de la Tierra — el diamante — para realizar tareas en nuestra computadora más avanzada? Esta es la visión de investigadores de la Universidad de Princeton, que publicaron recientemente en Diamond And Related Materials, bajo el título “Quantum chemistry model of surface reactions and kinetic model of diamond growth: Effects of CH3 radicals and C2H2 molecules at low-temperatures CVD¹”.

Esto se une a los trabajos de otros investigadores de la Universidad de Melbourne y la Universidad de Princeton, publicados bajo el título “Methods for Color Center Preserving Hydrogen-Termination of Diamond²”.

Crecimiento de diamantes bajo demanda

Los diamantes, históricamente solo una piedra natural, hoy en día se fabrican mayormente a partir de carbono crudo. Sin embargo, este proceso requiere calor y presión muy intensos, por lo que no puede combinarse con otros materiales como el silicio usado en los chips de computadora. Para esto se necesita la fabricación de diamantes a baja temperatura.

Algunos métodos ya se han explorado, como el uso de acetileno y una técnica llamada “deposición química de vapor asistida por plasma”.

Fuente: PPPL

El problema es que, aunque puede crecer diamantes microscópicos, también deposita mucho hollín, que puede acumularse sobre el diamante e inhibir el rendimiento en óptica, sensores y chips. Hasta ahora no estaba claro por qué se formaba el hollín en lugar de diamantes.

Temperatura Goldilocks y Hidrógeno

Los investigadores descubrieron que existe una temperatura precisa en la que el proceso crea un diamante. Por encima de esta temperatura crítica, el acetileno contribuye mayormente al crecimiento del diamante. Por debajo de esta temperatura crítica, contribuye mayormente al crecimiento de 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, pueden formarse más diamantes, incluso a temperaturas más bajas.

“Los átomos de hidrógeno no alimentan directamente el crecimiento del diamante, pero la disociación del hidrógeno, o su 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 Princeton University

Juntos, estos conocimientos sobre la formación del diamante abren el camino para crear de forma fiable diamantes microscópicos directamente dentro de semiconductores de silicio sin dañar el resto del material con altas temperaturas ni 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 fabrican cuando algunos de los átomos de carbono que forman el diamante son reemplazados por otros átomos, como por ejemplo nitrógeno, y algunos otros átomos de carbono simplemente se eliminan. Esto crea lo que se conoce como una vacancia de nitrógeno (NV).

En un diamante así, los electrones internos 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 lo hacen las partículas más pesadas. En cambio, como todos los electrones, se comportan según las leyes de la física cuántica.”

Alastair Stacey- Físico principal de investigación y jefe de materiales y dispositivos cuánticos en PPPL.

Perfeccionando la receta del diamante

Hasta ahora, el método de usar plasma para crear diamantes estaba lejos de ser preciso. Se basaba en mucho ensayo y error, ya que la teoría de lo que ocurre exactamente en la superficie del diamante no se comprende bien.

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

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

Fuente: Advanced Materials Interface

Descubrieron que se podrían usar 2 nuevos métodos, aunque cada uno con sus propias limitaciones 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 hidrógeno muy puro sin oxígeno, algo difícil de lograr a bajas temperaturas.
• Terminación con plasma frío, que usa 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 la compensación entre la calidad de la superficie y las propiedades NV que habrá que equilibrar en futuras aplicaciones. Por ejemplo, en proyectos de detección biomolecular, es absolutamente crucial que los NV se conserven cerca de las superficies.”

Daniel McCloskey – Investigador en la Universidad de Melbourne. 

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

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

Nuevas computadoras cuánticas

Hasta ahora, las computadoras cuánticas se han construido con métodos conocidos derivados de las tácticas tradicionales de fabricación usadas por la industria de semiconductores. Pero con la tecnología cuántica tan diferente de la computación normal, tiene sentido que nuevos materiales sean probablemente más adecuados que el silicio tradicional.

Esto podría incluir diamantes, permitiendo algún día que la computación cuántica se realice a temperatura ambiente, algo que no solo reduciría drásticamente los costos 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 a un mayor número de qubits, como 100 o 1000, lo que sería un cambio de juego para áreas como la criptografía, la IA y la ciencia de materiales.

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

Martin Koppenhöfer – Coordinador de proyecto en SPINUS

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

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

Podría quedar limitada para siempre a aplicaciones de nicho más que a nuestras computadoras, pero aún así podría volverse instrumental en la modelización de la física, la biología, las ciencias de materiales, la criptografía y aplicaciones militares.

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

Si no le interesa seleccionar empresas específicas, también puede considerar ETFs como el ProShares Nanotechnology ETF (TINY) o el WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) que le ofrecerán una exposición más diversificada para capitalizar en acciones de computación cuántica y nanotecnología.

O puede consultar nuestra lista de los “Top 10 Nanotechnology Stocks” y “5 Mejores Empresas de Computación Cuántica”.

Empresas de computación cuántica

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

Sin embargo, recientemente ha quedado rezagada en el volumen de producción frente a otros gigantes tecnológicos como Apple (AAPL ), TSMC (TSM ), y NVIDIA (NVDA )

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

Y ahora está seguida por “Condor”, un procesador cuántico superconductivo de 1,121 qubits basado en la tecnología de puertas de resonancia cruzada, junto con “Heron”, un procesador cuántico en el límite del campo.

Las computadoras cuánticas podrían beneficiarse de un control magnético mejorado, aumentando la estabilidad y fiabilidad de los qubits, lo cual es esencial para la potencia 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 refrigeración más eficientes, particularmente a temperaturas más altas.

IBM está involucrada en la mayoría de las otras innovaciones de vanguardia en la computación y la industria de semiconductores. Estas incluyen materiales orgánicos conductores, computación neuromórfica, fotónica, etc.

En cierta medida, IBM se ha convertido en una “empresa de patentes” con experiencia en desarrollar nuevos métodos de computación y licenciar them a la industria.

Hasta ahora, parece estar muy decidida a mantener tantas patentes clave en todos los métodos de computación no basados en silicio que pueda obtener, replicando su éxito pasado al contribuir masivamente al desarrollo de la industria de semiconductores hasta convertirse en el gigante que es hoy.

Referencia del estudio:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Modelo de química cuántica de reacciones de superficie y modelo cinético del 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 preservación de centros de color mediante terminación de hidrógeno del diamante. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}