La Computación Cuántica Avanza con Tecnología Superconductora Avanzada

Una tecnología emergente, la computación cuántica utiliza las leyes de los mecanismos cuánticos para resolver problemas complejos que están más allá de la capacidad de los ordenadores tradicionales.

Estos ordenadores cuánticos almacenan información en qubits (o bits cuánticos). A diferencia de los bits clásicos, estos qubits pueden existir más allá de un estado binario de 0 y 1 y, como tal, pueden realizar cálculos mucho más rápidos.

Además, estos qubits vienen en diferentes formas, incluyendo qubits de iones atrapados, que utilizan iones o átomos cargados; qubits fotónicos, que utilizan partículas de luz; y qubits superconductores, que son un circuito de bucle con una corriente eléctrica que viaja alrededor de ellos.

Parte de la computación cuántica de ‘estado sólido’, los qubits superconductores se demostraron por primera vez en 1999. Desde entonces, han evolucionado hasta convertirse en una de las formas principales de tecnología de qubits, ofreciendo beneficios como la reducción de la disipación de energía, la baja resistencia, la decoherencia disminuida, los circuitos cuánticos escalables, la operación de qubits de alta velocidad, los estados de qubits estables, el control de qubits de alta fidelidad y la corrección de errores.

En la última década, la computación cuántica superconductora se ha convertido en una opción popular para construir ordenadores cuánticos funcionales, y la investigación en curso nos acerca a hacerlos una realidad.

Avances recientes en materiales superconductores

Esta semana, un equipo de investigadores publicó un estudio en Science Advances sobre el desarrollo de un nuevo material superconductor para la computación cuántica.

El nuevo material superconductor es un candidato para un ‘superconductor topológico’, que es un tipo que utiliza un agujero o un estado deslocalizado de un electrón para transportar información cuántica y procesar datos.

El físico Peng Wei de la Universidad de California lideró un equipo de investigadores que combinaron telurio trigonal, un material no magnético que no puede ser superpuesto en su imagen especular, con un superconductor de estado de superficie generado en la superficie de una delgada capa de oro.

Esta combinación creó un superconductor de interfaz 2D con una polarización de spin mejorada, lo que permite que las excitaciones puedan ser utilizadas potencialmente para crear un qubit de spin estable. Este material superconductor innovador tiene el potencial de revolucionar la escalabilidad y la confiabilidad de los componentes de la computación cuántica.

“Al crear una interfaz muy limpia entre el material quiral y el oro, desarrollamos un superconductor de interfaz bidimensional. El superconductor de interfaz es único ya que vive en un entorno donde la energía del spin es seis veces más grande que la de los superconductores convencionales.”

– Wei, profesor asociado de física y astronomía

Bajo un campo magnético, el material se vio haciendo una transición, lo que sugiere su uso como superconductor de triplete, lo que podría conducir a componentes de computación cuántica más robustos. Básicamente, se volvió más robusto en un campo magnético alto que en un campo magnético bajo.

Además, al utilizar materiales no magnéticos para interfaces más limpias, esta nueva tecnología también suprime naturalmente las fuentes de decoherencia, que es un desafío en la computación cuántica.

Los investigadores también demostraron la capacidad del superconductor para ser hecho en resonadores de microondas de alta calidad y baja pérdida, que son componentes críticos de la computación cuántica. Como tal, esto puede conducir a qubits superconductores de baja pérdida.

Dado que reducir la decoherencia o la pérdida de información cuántica en un sistema de qubits es el mayor desafío en la computación cuántica, esta investigación puede ayudar a desarrollar componentes de computación cuántica más escalables y confiables. Según Wei:

“Logramos esto utilizando materiales que son un orden de magnitud más delgados que los utilizados típicamente en la industria de la computación cuántica.”

Estos resonadores de microondas tienen un factor de calidad que alcanza 1 millón.

Una semana antes de esto, un equipo liderado por la UCLA también publicó un estudio que presentaba un nuevo material que muestra promesa para la computación cuántica.

El material retuvo sus propiedades superconductoras bajo campos magnéticos mucho más altos de lo habitual y exhibió el efecto de diodo superconductor. Este efecto, que permite que fluya más corriente en una dirección, se ve típicamente en superconductores quirales y se ve escasamente en superconductores tradicionales.

Para inducir el comportamiento quiral en un superconductor convencional, los investigadores crearon una capa molecular quiral y una estructura en capas con material 2D de tantalio disulfuro (TaS2).

Este estudio mostró el potencial para mejorar la eficiencia y la estabilidad de la computación cuántica y hacer que la electrónica convencional sea más rápida y eficiente en términos de energía.

Innovaciones en control de qubits y escalabilidad

Con la capacidad de los ordenadores cuánticos para “cambiar drásticamente el mundo”, ha habido una carrera en todo el mundo para construir un ordenador cuántico práctico.

Sin embargo, uno de los mayores desafíos que obstaculiza el crecimiento de los ordenadores cuánticos es la escalabilidad, lo que significa que los ordenadores lo suficientemente grandes pueden abordar problemas de la vida real. Para tener un ordenador cuántico que pueda abordar problemas útiles, necesitamos más qubits o una forma confiable de reducir los errores introducidos durante los cálculos.

Así que los investigadores en Japón se dispusieron a abordar el problema aumentando el número manejable de qubits y disminuyendo el número de qubits requeridos.

Hace un par de meses, los investigadores demostraron con éxito un circuito superconductor que puede controlar muchos qubits a bajas temperaturas.

En este experimento, un circuito superconductor se mostró capaz de controlar múltiples qubits a través de un solo cable utilizando multiplexación de microondas. El circuito tiene el potencial de mejorar la densidad de señales de microondas por cable en aproximadamente 1.000 veces. Este logro puede aumentar sustancialmente el número de qubits controlables y contribuir al desarrollo de ordenadores cuánticos a gran escala.

Para reducir el hardware necesario para ir en el medio de los qubits y la electrónica de temperatura ambiente, se desarrolló una ‘electrónica criogénica’ innovadora. La ‘electrónica criogénica’ es la electrónica para el control y la lectura de qubits que opera a temperaturas criogénicas cerca de los qubits.

La electrónica criogénica también se ha demostrado que funciona a frecuencias de reloj de alta velocidad a cuatro grados por encima del cero absoluto. Ahora, el enfoque está en reducir el consumo de energía para minimizar el calor generado junto a los qubits.

Otro enfoque de los investigadores japoneses es encontrar formas de corregir errores de procesamiento. En medio de esto, los investigadores de la Universidad de Princeton desarrollaron una técnica de fabricación para la computación cuántica sin errores.

En esta investigación, los científicos crearon una capa superconductora sobre un aislante topológico, tungsteno ditellurido (WTe2). La técnica utilizó una ‘semilla’ de metal depositado (paladio) sobre la superficie del aislante para formar una nueva estructura cristalina, Pd7WTe2, que exhibió resistencia cero.

La técnica de dispersión de átomos funciona con una variedad de ingredientes, incluyendo molibdeno ditellurido (MoTe2).

Aunque se necesitan más pruebas para determinar si es un superconductor topológico, los investigadores creen que se pueden crear nuevos superconductores a través de su método general.

Abordar la decoherencia y mejorar el rendimiento

Otro avance en la computación cuántica llegó a principios de este año cuando los investigadores introdujeron un nuevo enfoque para los circuitos superconductores. Este enfoque tiene el potencial de extender significativamente el tiempo de ejecución de un ordenador cuántico.

Como hemos señalado, la operación continua de dicho ordenador se interrumpe debido a lo fácilmente que el estado cuántico de un qubit puede ser desestabilizado. Esto se llama decoherencia y conduce a errores en los cálculos. Esto sucede debido a las interacciones con otros qubits y su entorno.

Y porque los qubits superconductores permiten cambiar entre diferentes estados en el menor tiempo posible, son el foco de una investigación en crecimiento. Pero mientras pueden mejorar el tiempo de conmutación, también son más susceptibles a la decoherencia en tan poco tiempo como milisegundos.

Así que un grupo internacional de investigadores propuso un diseño de unión de Josephson, que se denomina “flowermon”. Este diseño utiliza dos delgadas capas de cuprato de un átomo de grosor, un material superconductor basado en cobre.

“El flowermon moderniza la vieja idea de utilizar superconductores no convencionales para circuitos cuánticos protegidos y la combina con nuevas técnicas de fabricación y una nueva comprensión de la coherencia de los circuitos superconductores.”

– Uri Vool, físico del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Alemania

Según los cálculos del equipo, su diseño puede reducir el ruido y, a su vez, aumentar el tiempo de coherencia de los qubits en varios órdenes de magnitud. Sin embargo, fue puramente teórico, y el equipo planea utilizar sus resultados para optimizar los qubits superconductores a continuación.

Para abordar el rendimiento de los ordenadores cuánticos, el año pasado, un equipo de investigadores de la Universidad de Minnesota Twin Cities también desarrolló un diodo superconductor ajustable que no solo puede ayudar a escalar los ordenadores cuánticos, sino también mejorar los sistemas de inteligencia artificial.

Un diodo es un dispositivo que permite el flujo de corriente en una dirección. Mientras que generalmente se hace con semiconductores, los investigadores han estado explorando la fabricación de diodos con superconductores, que permiten la transferencia de energía sin perder poder en el camino.

El autor de investigación senior Vlad Pribiag, quien es profesor asociado en la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Minnesota, señaló:

“Queremos hacer que las computadoras sean más potentes, pero hay algunos límites difíciles que vamos a alcanzar pronto con nuestros materiales y métodos de fabricación actuales.”

El mayor desafío para mejorar la potencia de cálculo es disipar la energía, por lo que el equipo eligió utilizar tecnologías superconductoras.

El dispositivo de diodo superconductor se construyó utilizando tres uniones de Josephson. Mientras que se hicieron intercalando piezas de material no superconductor en el medio de superconductores, los investigadores aquí conectaron los superconductores con capas de semiconductores.

Este diseño único permitió a los investigadores controlar el comportamiento del dispositivo utilizando voltaje. También puede procesar múltiples señales eléctricas al mismo tiempo, a diferencia de los diodos habituales, que solo pueden manejar una entrada y una salida cada una. Estas características pueden ver el diodo superconductor incluso siendo utilizado en la computación neuromórfica inspirada en el cerebro.

En la computación neuromórfica, los circuitos eléctricos se diseñan para copiar cómo funcionan las neuronas en el cerebro humano para mejorar el rendimiento.

Según Mohit Gupta, el primer autor del documento, este nuevo diodo superconductor es más eficiente en términos de energía que otros diodos superconductores. Más específicamente, por primera vez, viene con una serie de puertas para controlar el flujo de energía. Esta característica no se ha incorporado a un diodo superconductor antes, pero este estudio ha “demostrado que puedes agregar puertas y aplicar campos eléctricos para ajustar este efecto”.

Además, el material utilizado en esta investigación fue más amigable con la industria y capaz de ofrecer nuevas funcionalidades.

La técnica utilizada en este estudio puede ser utilizada con cualquier superconductor, lo que lo hace muy flexible y compatible con aplicaciones industriales. Estas cualidades pueden ayudar a escalar el desarrollo de ordenadores cuánticos para un uso más amplio.

“Ahora, todas las máquinas de computación cuántica que existen son muy básicas en comparación con las necesidades de aplicaciones del mundo real. Escalar es necesario para tener una computadora lo suficientemente potente como para abordar problemas complejos y útiles.”

– Pribiag

Esto tiene un significado especial hoy en día, ya que el uso de la inteligencia artificial crece sustancialmente. Esto ha llevado a las personas a investigar algoritmos para ordenadores o máquinas de inteligencia artificial que puedan superar el rendimiento de los ordenadores clásicos. Este estudio, Pribiag señaló, está desarrollando el hardware para permitir que los ordenadores cuánticos implementen estos algoritmos.

La investigación fue financiada principalmente por el Departamento de Energía de los Estados Unidos con apoyo parcial de la Fundación Nacional de Ciencia y Microsoft Research.

Encogiendo qubits con materiales 2D sin afectar el rendimiento

La investigación y el desarrollo continuos han llevado a los científicos a construir qubits superconductores que son mucho más pequeños que los qubits habituales. Estos qubits superconductores se construyeron utilizando materiales 2D.

Para superar la velocidad y la capacidad de los ordenadores clásicos, los qubits de los ordenadores cuánticos necesitan estar en la misma longitud de onda. Para lograr esto, los investigadores deben sacrificar el tamaño de estos qubits, que incluso hoy se miden en milímetros, a diferencia de sus contrapartes clásicas, cuyos transistores se han reducido a nanómetros.

Para reducir el tamaño de los qubits para que no tengan un gran impacto físico mientras se mantiene su rendimiento, James Hone, profesor Wang Fong-Jen de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Columbia, mostró un qubit superconductor capacitivo muy pequeño.

Anteriormente, los ingenieros utilizaron condensadores planares para construir chips de qubits. Aquí, las placas cargadas se colocan lado a lado, y aunque pueden apilarse para ahorrar espacio, eso interferiría con el almacenamiento de información de qubits.

Así que los estudiantes de doctorado de Hone, Anjaly Rajendra y Abhinandan Antony, sandwicharon una capa aislante de nitruro de boro entre dos placas cargadas de niobio diselenido superconductor. Solo un átomo de grosor, estas capas están unidas por fuerzas de van der Waals, una interacción débil entre fuerzas electrostáticas.

Los condensadores luego se combinaron con circuitos de aluminio para crear un chip. Este chip tenía dos qubits y tenía solo 35 nanómetros de grosor, 1.000 veces más pequeño que los producidos utilizando enfoques convencionales.

Cuando se enfrió, los qubits obtuvieron la misma longitud de onda. También se observó que se entrelazaron y actuaron como una unidad. Esta coherencia cuántica, aunque de corta duración (un poco más de un microsegundo), significa que el estado cuántico del qubit puede ser manipulado y leído a través de pulsos eléctricos. Según Hone:

“Ahora sabemos que los materiales 2D pueden ser la clave para hacer que los ordenadores cuánticos sean posibles. Todavía es muy pronto, pero hallazgos como estos impulsarán a los investigadores en todo el mundo a considerar aplicaciones novedosas de los materiales 2D. Esperamos ver mucho más trabajo en esta dirección en el futuro”.

Gracias a su estructura única, los materiales cuánticos bidimensionales han marcado un avance significativo en la ciencia de materiales. A diferencia de los materiales tridimensionales, los materiales cuánticos bidimensionales tienen solo un átomo de grosor, y los electrones pueden moverse en todas las direcciones.

Algunos materiales 2D populares incluyen siliceno, grafeno, germaneno, estaneno, fosforeno, dicalcogenuros de metales de transición (TMDC) y nitruro de boro hexagonal (h-BN).

Aunque estos materiales ofrecen propiedades diversas y un potencial para aplicaciones tecnológicas transformadoras, enfrentan desafíos en términos de síntesis, integración y escalabilidad que deben superarse antes de que su potencial completo pueda ser realizado.

Empresas clave que lideran la revolución de la computación cuántica

Ahora, echemos un vistazo a algunas empresas prominentes que están involucradas en superconductores y computación cuántica:

#1. Alphabet (Google)

Alphabet está muy invertido en la investigación de computación cuántica a través de su filial Google Quantum AI. La división ha creado un procesador cuántico superconductor llamado Sycamore, que, en 2019, fue capaz de completar un cálculo en 200 segundos que de otra manera habría tomado 10.000 años incluso para un superordenador poderoso. Desde entonces, el procesador cuántico Sycamore ha crecido sustancialmente y ahora tiene 70 qubits, lo que lo hace 241 millones de veces más robusto que su modelo anterior.

El gigante tecnológico tiene una capitalización de mercado de $2,06 billones, y sus acciones (GOOGL:NASDAQ) se negocian a $165,68, con un aumento del 18,56% en lo que va del año. En el segundo trimestre de 2024, Alphabet informó un aumento del 28,6% en su beneficio neto a $23,6 mil millones, mientras que los ingresos totales crecieron un 14% a $84,74 mil millones. La empresa matriz de Google también anunció un dividendo en efectivo de $0,20 por acción.

#2. NVIDIA Corporation

NVIDIA ha estado explorando la computación cuántica y los superconductores a través de asociaciones y colaboraciones. En marzo de este año, la empresa anunció la aceleración de sus esfuerzos de computación cuántica en sitios de supercomputación nacionales en Alemania, Japón y Polonia con la plataforma NVIDIA CUDA-Q de código abierto.

El favorito de la inteligencia artificial del mercado, las acciones de NVIDIA han tenido un gran año, como se evidencia en su aumento del 161,24% en 2024 hasta ahora. Este aumento ha llevado las acciones de NVDA a $129,45, lo que sitúa la capitalización de mercado de la empresa en $3,188 billones. El fabricante de chips informó un récord de ingresos en el primer trimestre de 2024, con sus ingresos llegando a $22,1 mil millones.

Conclusión

Así que los investigadores, organizaciones y empresas de todo el mundo están trabajando para avanzar en la computación cuántica, que sobresale en la resolución de problemas complejos. El enfoque en la tecnología superconductora, en particular, está ayudando a impulsar un progreso significativo y nos acerca a realizar el potencial completo de esta tecnología transformadora.

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