Computación
Salto Cuántico: El Primer Chip Híbrido Cuántico‑Fotónico del Mundo
Con la inversión en aumento y los avances multiplicándose, la tecnología cuántica está más cerca que nunca de convertirse en una realidad.
Según McKinsey, los tres pilares principales de la tecnología cuántica, que son computación cuántica, comunicación cuántica y detección cuántica, juntos podrían generar tanto $97 mil millones en ingresos a nivel mundial dentro de la próxima década.
La tecnología se ocupa de los principios de la mecánica cuántica para crear tecnologías innovadoras que superan las capacidades de las tecnologías clásicas.
Una de las formas prometedoras de desarrollar tecnologías cuánticas es a través de la fotónica. Esto se debe a su compatibilidad natural con interconexiones ópticas para la distribución de entrelazamiento, su robustez frente a la decoherencia a temperatura ambiente y su capacidad de reducirse a un formato a escala de chip.
La fotónica es la ciencia de la luz (fotones) y se ocupa de la generación, detección y manipulación de la luz para diversas aplicaciones.
Para los sistemas cuántico‑fotónicos, la fotónica de silicio ofrece la plataforma más escalable. Pueden construirse utilizando las técnicas de fabricación de semiconductores desarrolladas en la industria de micro‑electrónica de óxido metálico complementario (CMOS), que ya produce chips a gran escala.
Aunque la fotónica de silicio pronto podría usarse para crear un gran número de qubits físicos, necesarios para lograr un procesamiento de información cuántica útil en dispositivos ópticos miniaturizados para generar y manipular estados cuánticos de luz, la construcción de estos circuitos integrados cuántico‑fotónicos de silicio plantea serios desafíos.
Los problemas están relacionados con el cruce térmico, las no linealidades de portadores libres y auto‑calentamiento, y la necesidad de gestionar una sensibilidad extrema a cualquier variación de temperatura y proceso.
El asunto es que, para que los dispositivos cuántico‑fotónicos de silicio funcionen correctamente, necesitan monitoreo continuo así como control por circuitos electrónicos. Por lo tanto, se han utilizado electrónicos voluminosos fuera del chip, lo que aborda parcialmente los problemas, pero eso también resulta en renunciar a muchos beneficios de una plataforma a escala de chip.
Para realizar todo el potencial de la fotónica de silicio como plataforma para el procesamiento de información cuántica, debemos resolver el cuello de botella del control clásico.
Así, un equipo interdisciplinario de investigadores ha introducido un sistema cuántico electrónico‑fotónico en chip. Está fabricado en una fundición comercial de microelectrónica de 45 nm CMOS.
Este es el primer chip híbrido del mundo que combina electrónica, fotónica y potencia cuántica.
El uso de CMOS hace que la investigación sea aún más encomiable. Esta tecnología de semiconductores es la piedra angular de la electrónica moderna. Empresas como Samsung, Sony, Intel y TSMC la utilizan para producir electrónica en masa.
El nodo de 45 nm, mientras tanto, está probado y es rentable. También es compatible con la amplia infraestructura de fabricación de silicio.
Su enfoque de control modular totalmente integrado, según el equipo, “allana el camino para que la fotónica cuántica de silicio alcance la escala masiva requerida para futuras generaciones de sistemas de información cuántica”.
La colaboración interdisciplinaria acerca la tecnología cuántica a la realidad
El estudio más reciente, que marca un gran avance en la tecnología cuántica, fue realizado por investigadores de UC Berkeley, Boston University y Northwestern University.
“El tipo de colaboración interdisciplinaria que este trabajo requirió es exactamente lo que se necesita para trasladar los sistemas cuánticos del laboratorio a plataformas escalables. No podríamos haberlo logrado sin los esfuerzos combinados en electrónica, fotónica y medición cuántica.”
– Prem Kumar, profesor de ingeniería eléctrica y de computación en Northwestern
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation. Publicada en Nature Electronics, el estudio detalla el sistema1 que ha integrado con éxito fuentes de luz cuántica y electrónica estabilizadora en un solo chip de silicio, fabricado usando el proceso estándar de semiconductores de 45 nm.
Esta combinación es lo que permite que el chip genere flujos de pares de fotones correlacionados de forma constante, los cuales son la base de diversas aplicaciones cuánticas.
Cada chip de silicio tiene una matriz de “fábricas de luz cuántica”, en total doce fuentes de luz cuántica independientes que son alimentadas por luz láser. También dependen de resonadores de microring para generar pares de fotones. Cada una de estas fuentes tiene una dimensión inferior a un milímetro en cada dirección.
Esto marca un paso importante hacia el desarrollo de sistemas cuánticos más complejos compuestos por múltiples chips interconectados y la producción masiva de chips “fábrica de luz cuántica”. Según el autor principal del estudio, Miloš Popović, profesor asociado de ingeniería eléctrica y de computación en BU:
“La computación, comunicación y detección cuánticas están en un camino de décadas desde el concepto hasta la realidad. Este es un pequeño paso en ese camino, pero importante, porque muestra que podemos construir sistemas cuánticos repetibles y controlables en fundiciones de semiconductores comerciales.”
Actualmente, en las primeras etapas de desarrollo, la tecnología cuántica difiere de las computadoras existentes, que usan bits clásicos que son cero o uno, al utilizar bits cuánticos (qubits).
Estos qubits pueden existir en una superposición de ambos estados al mismo tiempo, lo que permite a las computadoras cuánticas realizar cálculos en paralelo, lo que a su vez, conduce a aumentos masivos de velocidad. Aquí, la superposición es la existencia de un sistema cuántico en múltiples estados a la vez.
Descifrando el código de escalabilidad con auto‑ajuste en tiempo real
Ahora, existen diferentes formas en que la tecnología cuántica puede aplicarse, y la fotónica es una de ellas, donde se requiere un flujo controlado de luz, fotones individuales o pares de fotones entrelazados, para cumplir su función.
Estos flujos constantes de luz cuántica se generan usando dispositivos como resonadores de microring y puntos cuánticos.
Los resonadores de microring son dispositivos fotónicos diseñados con precisión que permiten la generación de estados cuánticos de luz en un chip. Estos son elementos esenciales en la fotónica de silicio, ya que ofrecen una forma muy eficiente de guiar la luz a escala nanométrica. Esto se logra al hacer circular la luz en un círculo para alcanzar una longitud de onda objetivo (resonancia).
Para generar flujos de luz cuántica en forma de pares de fotones correlacionados, los resonadores de microring deben ajustarse en sincronía con la luz láser entrante que alimenta cada fábrica de luz cuántica en el chip. También se usan como combustible para el proceso de generación.
Sin embargo, los resonadores son muy sensibles a variaciones de temperatura y de fabricación. Esto puede hacer que se desincronicen y perturben la generación constante de luz cuántica.
Para evitar la interrupción de la generación de luz cuando los resonadores se desincronizan, el equipo construyó un sistema integrado que estabiliza activamente las fuentes de luz cuántica en el chip, en particular, los resonadores que generan flujos de fotones correlacionados. Estas fuentes de luz están presentes en cada chip y operan en paralelo.
“Lo que más me entusiasma es que incorporamos el control directamente en el chip — estabilizando un proceso cuántico en tiempo real. Ese es un paso crítico hacia sistemas cuánticos escalables.”
– Anirudh Ramesh, estudiante de doctorado en Northwestern que lideró las mediciones cuánticas
Curiosamente, la extrema sensibilidad de los resonadores de microring es en realidad la base de las fuentes de luz cuántica, la razón por la cual los flujos de luz cuántica pueden generarse de manera eficiente y en un área mínima del chip. Sin embargo, incluso pequeños cambios de temperatura pueden impactar significativamente el proceso de generación de pares de fotones.
Para superar este problema, los investigadores implantaron un sistema de control en tiempo real directamente sobre el chip. Integraron fotodiodos dentro de cada resonador de una manera específica, lo que les permite monitorear el rendimiento, específicamente la alineación con el láser entrante, mientras preservan la generación de luz cuántica.
Mientras tanto, calefactores miniatura y lógica de control en el chip ajustan constantemente la resonancia en respuesta a la deriva. Así, aun cuando las condiciones fluctúan, este bucle de retroalimentación incorporado mantiene el proceso de generación de luz cuántica, haciendo que el dispositivo se comporte de forma predecible.
El auto‑ajuste permite que los doce resonadores trabajen juntos en perfecta sincronía, sin necesidad de equipos de estabilización voluminosos. Esto es un punto clave, ya que es un requisito esencial para escalar los sistemas cuánticos. Según Imbert Wang, estudiante de doctorado en Boston University que lideró el diseño del dispositivo fotónico:
“Un desafío clave respecto a nuestro trabajo anterior fue impulsar el diseño fotónico para cumplir con los exigentes requisitos de la óptica cuántica mientras permanecíamos dentro de las estrictas limitaciones de una plataforma CMOS comercial. Eso permitió el co‑diseño de la electrónica y la óptica cuántica como un sistema unificado.”
El sistema completo fue fabricado en una plataforma de chip CMOS de 45 nm desarrollada mediante una colaboración entre BU, UC Berkeley, GlobalFoundries y Ayar Labs. La startup Ayar Labs está involucrada en la creación de tecnología para chips que usan pulsos de luz y aseguró 155 millones de dólares en financiación de riesgo de AMD Ventures, Intel Capital y Nvidia, con una valoración de 1 mil millones de dólares, lo que “prepara el escenario para la producción en volumen”.
El proceso de fabricación permite interconexiones ópticas avanzadas para IA y supercomputación, y ahora sistemas fotónicos cuánticos complejos en una plataforma de silicio escalable.
“Nuestro objetivo era demostrar que los sistemas fotónicos cuánticos complejos pueden construirse y estabilizarse completamente dentro de un chip CMOS. Eso requirió una coordinación estrecha entre dominios que normalmente no se comunican entre sí.”
– Daniel Kramnik, estudiante de doctorado en UC Berkeley que lideró el diseño, empaquetado e integración del chip
La dependencia del chip en las técnicas ya en uso significa que no es necesario crear configuraciones nuevas, lo que a su vez allana el camino para la computación cuántica escalable.
| Componente | Función | Característica clave |
|---|---|---|
| Fuente de luz cuántica | Genera pares de fotones correlacionados | Alimentada por láser, menos de 1 mm³ de tamaño |
| Resonador de microring | Guía la luz a la resonancia objetivo | Sensitivo a desplazamientos térmicos |
| Fotodiodos | Monitorean la alineación del láser | Integrados en cada resonador |
| Calentadores miniatura | Mantienen la resonancia térmica | Soportan auto‑ajuste en tiempo real |
| Lógica de control | Gestiona la retroalimentación y sincronización | Totalmente en chip, escalable |
Invertir en sistemas cuánticos
El mundo de la tecnología cuántica avanza rápidamente, acercándose cada año más a la realidad. Aquí, International Business Machines (IBM ) está entre los que lideran el sector, particularmente en la computación cuántica. Recientemente, investigadores de IBM® y la startup cuántica Pasqal publicaron un white paper2, en el que definieron la ventaja cuántica, cómo las afirmaciones pueden validarse científicamente y los caminos para lograrla.
International Business Machines (IBM )
Este mes, IBM Quantum colaboró con Moderna para modelar la estructura del ARNm mediante simulación cuántica. Para ello, utilizaron 80 qubits del procesador IBM Quantum Heron, que ejecutó un algoritmo especializado con el objetivo de “mejorar la salud humana”.
“Creemos que es fundamental explorar todas las herramientas disponibles, incluida la computación cuántica, para escalar nuestro progreso hoy, en lugar de esperar a que la tecnología madure completamente en el futuro.”
– Director científico asociado de Moderna para algoritmos y aplicaciones cuánticas, Alexey Galda
El mes pasado, IBM también hizo un gran anuncio: está construyendo la primera computadora cuántica a gran escala del mundo, que espera entregar a los clientes en 2029.
La computadora cuántica tolerante a fallos, llamada IBM Starling, será 20 000 veces más potente que las computadoras cuánticas actuales y “requeriría la memoria de más de un quindecillón de las supercomputadoras más potentes del mundo”.
Según la hoja de ruta de la compañía, la llegada de Starling seguiría varios hitos, incluida la primera demostración de ‘ventaja cuántica’ el próximo año, donde las computadoras cuánticas comenzarán a superar a las computadoras clásicas en aplicaciones de cómputo práctico.
Pero antes de eso, IBM Quantum Loon se lanzará a finales de este año junto con su chip Nighthawk. Y el próximo año, IBM Quantum Kookaburra seguirá ese lanzamiento, presentando el primer procesador modular de la compañía para almacenar y procesar información codificada. Luego, IBM Quantum Cockatoo se desplegará al año siguiente, cuya arquitectura “conectará chips cuánticos como nodos en un sistema mayor, evitando la necesidad de construir un chip imprácticamente grande”.
Estos lanzamientos conducirán finalmente al despliegue de Starling antes de que termine la década. Esta innovación espera ejecutar “100 millones de operaciones cuánticas usando 200 qubits lógicos”.
Con Starling, IBM pretende resolver desafíos del mundo real, algo que la tecnología cuántica aún no ha logrado. Según su CEO, Arvind Krishna, su computadora cuántica también “desbloqueará inmensas posibilidades para los negocios”.
Según su hoja de ruta, los objetivos de computación cuántica de IBM van más allá de Starling. Blue Jay será la ISA de computación cuántica tolerante a fallos de segunda generación, que no se espera que llegue antes de 2033. Para entonces, la plataforma de cómputo podría escalar hasta 1 mil millones de puertas y 2 000 qubits lógicos.
En cuanto al desempeño del mercado de IBM, con una capitalización de 262 mil millones de dólares, proveedora de nube híbrida global, IA y consultoría, sus acciones cotizan actualmente por encima de 265 dólares, con un aumento del 28,29 % en lo que va del año. La compañía paga un rendimiento de dividendo del 2,38 %.
(IBM )
Más recientemente, la empresa informó sus resultados del segundo trimestre de 2025, que mostraron un aumento del 8 % en los ingresos a 17 mil millones de dólares, 6,1 mil millones de dólares en efectivo neto de actividades operativas y flujo de caja libre de 4,8 mil millones de dólares.
“Una vez más superamos las expectativas en ingresos, ganancias y flujo de caja libre en el trimestre. IBM sigue altamente diferenciada en el mercado gracias a nuestra profunda innovación y experiencia sectorial, ambas cruciales para ayudar a los clientes a desplegar y escalar IA. Nuestro negocio de IA generativa sigue acelerándose y ahora supera los 7,5 mil millones de dólares.”
– CEO Krishna
Últimas International Business Machines (IBM) News y desarrollos
Conclusión
La tecnología cuántica avanza rápidamente, pasando de un concepto a una industria escalable, impulsada por avances como chips híbridos cuántico‑electrónicos‑fotónicos.
Al integrar fuentes de luz cuántica, electrónica estabilizadora y fabricación escalable en un solo chip, el estudio ha creado de forma óptima un plan maestro para el futuro cuántico. Y a medida que los sistemas fotónicos cuánticos avanzan, los últimos chips híbridos podrían convertirse en la base de tecnologías como detección avanzada, redes de comunicación seguras y computación cuántica.
Con IBM construyendo procesadores cuánticos masivos, los tiempos son sin duda emocionantes, y la próxima década parece estar lista para marcar el punto en que la computación cuántica finalmente entregue un impacto real en el mundo.
Haga clic aquí para obtener una lista de las principales empresas de computación cuántica de 2025.
Referencias:
1. Kramnik, D.; Wang, I.; Ramesh, A.; Ghorbani, M.; Patel, V.; Lin, Y.; Choi, H.; Liu, Q.; Das, R.; Jensen, T.; Nakamura, S.; Lee, J.; Bowers, J. E.; Faraon, A.; Englund, D.; Painter, O.; Vučković, J. Scalable Feedback Stabilization of Quantum Light Sources on a CMOS Chip. Nature Electronics, 8, (2025). Publicado en línea el 14 de julio de 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Lanes, O.; Beji, M.; Corcoles, A. D.; Dalyac, C.; Gambetta, J. M.; Henriet, L.; Javadi-Abhari, A.; Kandala, A.; Mezzacapo, A.; Porter, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Dauphin, A.; Peropadre, B. A framework for quantum advantage. arXiv preprint arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). Publicado en línea el 14 de julio de 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658
