Chips Fotónicos Producíbles en Masa Podrían Desbloquear la Escalabilidad Cuántica

Los ingenieros de la Universidad de Colorado en Boulder acaban de descubrir un paso clave para la adopción de la computación cuántica: la escalabilidad. La precisión extrema necesaria para crear dispositivos cuánticos no ha sido reproducible a gran escala, lo que significa que sus costos siguen estando fuera del alcance de la mayoría de las personas.

Afortunadamente, esta situación está destinada a cambiar en los próximos años, ya que este reciente desarrollo utiliza métodos tradicionales de fabricación CMOS para crear chips cuánticos estables que son mucho más pequeños y asequibles que cualquier cosa disponible hoy. Aquí está lo que necesitas saber.

Computación Cuántica vs. Computación Clásica: La Diferencia Fotónica

A diferencia de las computadoras tradicionales, las computadoras cuánticas no utilizan bits ni chips tradicionales. En su lugar, dependen de la superposición cuántica y los qubits para resolver cálculos. Una de las formas más populares de construir computadoras cuánticas gira en torno al uso de moduladores fotónicos ópticos.

Estos dispositivos permiten que las computadoras cuánticas aprovechen iones atrapados o átomos neutros como qubits. Estos chips permiten a los ingenieros dirigir un láser sintonizable hacia los qubits, que comunican instrucciones operativas para los cálculos mediante modulaciones de frecuencia.

El Cuello de Botella de la Escalabilidad: Por Qué Falló la Producción en Masa

Existen varios problemas con los métodos de fabricación actuales para computadoras cuánticas. Principalmente, no hay ninguno en términos de producción en masa. Estos chips son tan sensibles y precisos que, en la mayoría de los casos, deben construirse en laboratorio de forma individual. Actualmente, el método de ensamblaje depende de que los ingenieros ensamblen la mayor parte del dispositivo a mano.

Además, estos dispositivos integran haces láser de alta potencia para proporcionar capacidades de afinación precisa a múltiples qubits. Por lo tanto, necesitan ser fiables y resistentes al calor, especialmente cuando se considera que las futuras computadoras cuánticas podrían utilizar miles de qubits.

Límites del Factor de Forma

Los chips cuánticos actuales son demasiado grandes para ser utilizados en la mayoría de las aplicaciones. Requieren refrigeración criogénica, rutas ópticas largas y diseños de qubits espaciados. Esta configuración ayuda a reducir el ruido, pero los hace extremadamente grandes en comparación con los chips de computadoras tradicionales.

Además, las futuras generaciones de computadoras cuánticas utilizarán más qubits, lo que significa que las computadoras cuánticas más avanzadas de hoy son solo una gota en el océano comparado con lo que estará disponible públicamente dentro de una década más o menos. En consecuencia, estos dispositivos deberán reducirse a un factor de forma razonable antes de lograr una adopción a gran escala.

El Calor Destruye el Estado Cuántico

Toda la energía láser utilizada para comunicarse con los qubits es otro problema, ya que genera mucho calor. El calor siempre ha sido problemático para las computadoras, independientemente de su configuración. Sin embargo, las computadoras cuánticas dependen de mantener un estado cuántico frágil para realizar cálculos. Por eso requieren refrigeración criogénica. En consecuencia, el calor puede volver inoperables a estos dispositivos.

Avance: Circuitos Fotónicos Compatibles con CMOS

El estudio “Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit,” ​​publicado¹ en la revista Nature Communications, presenta un enfoque completamente nuevo para producir chips cuánticos ópticos.

Muchos consideran que el nuevo proceso es el primer paso hacia la revolución de la computación fotónica. El dispositivo, que es 100 veces más delgado que un cabello, integra tecnologías modulares para crear un nuevo nivel de eficiencia y estabilidad.

Este modulador de fase acusto‑óptico de frecuencia gigahercios, diseñado específicamente, combina un transductor piezoeléctrico y una guía de ondas fotónica, minimizando el factor de forma mientras mantiene una estructura a escala de longitud de onda.

Modulador de Fase Óptica

El modulador de fase óptica mejorado puede controlar la luz láser usando frecuencias de microondas. Las microondas hacen que la luz se excite y vibre miles de millones de veces por segundo, lo que permite una afinación precisa, además de mayor estabilidad y eficiencia. Específicamente, el modulador acusto‑óptico integra una guía de ondas fotónica montada sobre un transductor piezoeléctrico.

La Fabricación CMOS Permite la Producción en Masa

Para cumplir con los estrictos requisitos de tamaño, los ingenieros decidieron crear el dispositivo en una oblea de 200 mm que luego se cortó en 120 chips diferentes. El proceso utilizó una plataforma piezo‑optomecánica de nitruro de aluminio‑SiNx, lo que permite a los ingenieros usar la modulación de fase para crear bandas laterales de frecuencia gigahercios en una entrada láser de 730 nm.

Más impresionante aún es que se basaron en técnicas estándar de fabricación de chips para crear los dispositivos, lo que significa que pueden producirse en masa en el futuro, abriendo la puerta a un mayor acceso a la computación cuántica.

Al discutir su enfoque, los ingenieros comentaron cómo la fabricación CMOS es la cúspide de la tecnología escalable y cómo emplearla como medio para crear chips cuánticos es crucial para una mayor adopción.

Específicamente, los ingenieros explicaron cómo esta tecnología ha hecho posibles muchos de tus dispositivos de alta tecnología favoritos, incluidos smartphones, laptops y otros dispositivos de los que dependes a diario. Explicaron cómo ayudó a propagar esta tecnología y cómo hará lo mismo para los dispositivos impulsados por la computación cuántica del futuro.

Fuente – Nature Communications

Operación de Doble Modo: Óptico y Electromecánico

Cabe destacar que el modulador de fase óptica puede operar en dos modos distintos. El primero es el modo óptico de propagación, que propaga y guía guías de ondas fotónicas en los circuitos. Esta estrategia soporta la distribución de entrelazamiento, el enrutamiento y la coherencia, lo que lo hace crucial para la mayoría de las operaciones.

El segundo modo es una resonancia mecánica de modo respiratorio excitada eléctricamente, que depende de microondas aplicadas a nanoestructuras, creando una actuación piezoeléctrica. Estas microondas alteran las tasas de oscilación de los fotones y los campos ópticos. Cabe destacar que este modo soporta altas potencias ópticas, lo que lo hace ideal para cálculos cuánticos avanzados.

Puntos de Referencia de Rendimiento: Estabilidad y Eficiencia

Los ingenieros realizaron varias pruebas con un analizador de espectro de radiofrecuencia para evaluar la salida del chip. Para llevar a cabo esta tarea, el equipo montó el chip en un brazo que tenía una fuente láser acoplada a un interferómetro de fibra.

El otro extremo del dispositivo se conectó a un desplazador de frecuencia acusto‑óptico (AOFS). Los ingenieros pasaron luz a través de ambos extremos del dispositivo y luego la recombinan usando un acoplador direccional 50/50. Esto permite que los fotones se dirijan al analizador de espectro, aumentando la precisión.

El nuevo chip alcanzó una potencia óptica de 730 nm, superando el objetivo de 500 mW establecido por los ingenieros. Además, el equipo pudo ajustar la geometría del dispositivo para mejorar aún más la interacción optomecánica. Esta prueba reveló profundidades de modulación de hasta 4,85 rad usando solo una microonda de 80 mW configurada a 2,31 GHz.

Impresionantemente, la unidad registró la pérdida de frecuencia más baja de cualquier chip hasta la fecha. Específicamente, los ingenieros observaron que el nuevo chip era 15 veces más estable y 100 veces más eficiente en cuanto a los requisitos de potencia de microondas que los chips cuánticos actuales en uso.

Ventajas Clave de la Fabricación CMOS

Existen muchos beneficios que los chips fotónicos producidos en masa aportarán al mercado. En primer lugar, pueden fabricarse en grandes cantidades, lo que permite que la tecnología pase de un acceso exclusivo a una opción de computación popular. Este método de fabricación es más asequible y permitiría a los ingenieros crear computadoras cuánticas relativamente pequeñas que integren miles de qubits.

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Este método de fabricación es capaz, por primera vez, de crear versiones idénticas de estos dispositivos de alta tecnología y complejidad. Esta capacidad significa que los ingenieros podrán crear y distribuir sus futuros diseños de computadoras cuánticas a las masas utilizando métodos ya existentes.

Tamaño Pequeño

Una de las mayores ventajas de este diseño es su pequeño tamaño. Con 100 veces menos que un cabello humano, estos chips pueden soportar diseños potentes de computadoras cuánticas. Estas unidades integrarán miles de qubits como el chip Condor de IBM (IBM ), que maneja 1.121 qubits pero tiene un factor de forma mucho mayor debido al laminado más grande.

Alto Rendimiento

Impresionantemente, estos chips podrían ofrecer potencia de cálculo comparable a las máquinas más avanzadas de hoy. Pueden soportar más de 500 mW de potencia óptica, que es el límite actual para la computación cuántica de alta gama. Además, el nuevo diseño de chip soporta más potencia óptica y precisión mientras consume mucho menos energía.

Más Eficiente

La modulación de fase utilizada en este enfoque requiere mucho menos potencia de microondas en comparación con los predecesores. Específicamente, los ingenieros observaron que su dispositivo puede realizar acciones cuánticas usando 80 veces menos energía. En consecuencia, produce mucho menos calor, lo que permite acoplarlo con más chips para crear dispositivos más potentes.

Aplicaciones del Mundo Real: Detección y Redes

Existen varias aplicaciones de esta tecnología. El uso evidente será apoyar el diseño futuro de computadoras cuánticas. Estos chips de alto rendimiento son lo suficientemente pequeños como para empaquetarse estrechamente y lo suficientemente eficientes energéticamente como para no generar problemas de sobrecalentamiento en esta configuración.

Sensado Cuántico

Los sensores cuánticos ofrecen una precisión mucho mayor en comparación con los sensores tradicionales. Logran esto mediante el uso de superposición, entrelazamiento y compresión. Estas acciones permiten al dispositivo medir con precisión cambios en campos magnéticos, gravedad, tiempo, temperatura y más. Estos chips podrían ayudar a que estos sensores sean más asequibles.

Redes Cuánticas

Otra aplicación clave es la redes cuánticas. Esta tecnología aprovecha el entrelazamiento para comunicar datos a altas tasas de transmisión. Específicamente, utiliza pares de Bell cuánticos y teletransportación para transferir estados sin clonación. El objetivo de esta tecnología es crear una infraestructura para el internet cuántico algún día.

Camino hacia la Comercialización: La Hoja de Ruta de 7-10 Años

Pasarán entre 7 y 10 años antes de que esta tecnología llegue al público. De manera crucial, esta técnica de fabricación será un factor impulsor para promover la adopción de tecnologías cuánticas, pero primero debe perfeccionarse. Sin embargo, una vez asociada con el fabricante adecuado, la estrategia de bajo costo apoyará una mayor integración y adopción.

Equipo de Investigación y Financiamiento

La Universidad de Colorado en Boulder organizó el estudio de chips fotónicos con la participación del Laboratorio Nacional Sandia. Específicamente, Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer y Sebastian Magri contribuyeron a este trabajo.

El estudio recibió apoyo financiero y material del Departamento de Energía de EE. UU. a través del programa Quantum Systems Accelerator, que está alojado por el National Quantum Initiative Science Research Center.

Objetivos de Investigación Futura

Ahora el equipo enfocará sus esfuerzos en crear circuitos fotónicos integrados capaces de superar las medidas de rendimiento anteriores. El grupo busca mejorar la generación y filtrado de frecuencias de sus chips, junto con su enfoque de modelado de pulsos, para un mayor rendimiento.

Además, los ingenieros buscarán socios estratégicos que ayuden a poner en operación su método de fabricación. Este paso implica contactar a los principales sitios de fabricación CMOS y asegurar una parte de sus instalaciones para este nuevo diseño de chip.

Acciones de Computación Cuántica Destacadas para Vigilar

El sector de la computación cuántica sigue expandiéndose, con la competencia aumentando mensualmente. Los diseñadores, fabricantes de chips y programadores de computadoras cuánticas líderes de hoy continúan impulsar esta tecnología a nuevos niveles, abriendo la puerta a innovaciones en potencia computacional. Aquí hay una empresa que sigue a la vanguardia de esta revolución.

IonQ (IONQ): Un Líder en Sistemas de Iones Atrapados

IonQ (IONQ ) se lanzó en 2015 para impulsar la tecnología cuántica. La empresa fue fundada por dos expertos en computación cuántica, Christopher Monroe y el Dr. Jungsang Kim. Cabe destacar que Monroe ha sido fundamental en los estudios cuánticos y es considerado un pionero en la industria.

IonQ ha ayudado a innovar la tecnología, incluyendo la creación del primer chip operativo de 5 iones de iterbio que ejecuta el algoritmo Deutsch-Jozsa. También lanzó el primer QCaaS comercial de iones atrapados. Estos desarrollos ayudaron a la empresa a asegurar con éxito 636 millones de dólares.

Actualmente, la empresa ofrece varios productos cuánticos de alto nivel, incluido su sistema Aria de 32 qubits montado en rack. Además, la compañía ha asegurado asociaciones estratégicas con AWS/Azure/Google Cloud y otros proveedores de nube líderes.

Quienes busquen un proveedor de computación cuántica de reputación y con años de experiencia deberían considerar investigar más sobre IonQ. La empresa tiene actualmente una capitalización de mercado de 16,3 mil millones de dólares. Cabe destacar que su acción ha experimentado cierta volatilidad recientemente, con un máximo de 84,64 $ y un mínimo de 17,88 $.

Últimas Noticias y Rendimiento de la Acción de IonQ (IONQ)

Conclusión

La importancia de desarrollar con éxito una forma de producir en masa chips fotónicos no puede subestimarse. Esta tecnología está en el corazón de la expansión de la computación cuántica y deberá perfeccionarse antes de que sea accesible al público. Este último desarrollo seguramente reducirá los costos de creación de dispositivos cuánticos, lo que, a su vez, debería proporcionar una oferta estable de chips al mercado en el futuro.

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Referencias

^{1. Freedman, J. M., Storey, M. J., Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, N. T., & Eichenfield, M. (2025). Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}