Los avances de la computación cuántica 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 las computadoras tradicionales. 

Estas computadoras cuánticas 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, por lo tanto, pueden realizar cálculos mucho más rápido. 

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

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 reducción de la disipación de energía, baja resistencia, disminución de la decoherencia, circuitos cuánticos escalables, operación de qubits a alta velocidad, estados de qubits estables, control de qubits de alta fidelidad y corrección de errores.

Durante la última década, la computación cuántica superconductora se ha convertido en una opción popular para construir computadoras cuánticas funcionales, y la investigación continua nos está acercando a hacerlas 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 candidato a ser un “superconductor topológico”, que es un tipo que utiliza el estado deslocalizado de un hueco o un electrón para transportar información cuántica y procesar datos.

El físico Peng Wei de la Universidad de California dirigió un equipo de investigadores que combinaron telurio trigonal, un material no magnético que no puede superponerse a su imagen espejo, con un superconductor de estado superficial generado en la superficie de una película delgada de oro.

Esta combinación creó un superconductor de interfaz 2D con polarización de espín mejorada, lo que permite que las excitaciones se utilicen potencialmente para crear un qubit de espín estable. Este material superconductor revolucionario tiene el potencial de transformar la escalabilidad y fiabilidad 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 espín está seis veces más potenciada que en los superconductores convencionales.”

– Wei, profesor asociado de física y astronomía

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

Además, al usar 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 convertirse en resonadores microondas de baja pérdida y alta calidad, 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 fiables. Según Wei:

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

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

Una semana antes, un equipo liderado por UCLA también publicó un estudio presentando un nuevo material que muestra promesas para la computación cuántica. 

El material mantuvo sus propiedades superconductoras bajo campos magnéticos mucho más altos de lo habitual y exhibió el efecto diodo superconductor. Este efecto, que permite que más corriente fluya en una dirección, se observa típicamente en superconductores quirales y rara vez 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 el material 2D disulfuro de tantalio (TaS2).

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

Innovaciones en el control y escalabilidad de los qubits

Con computadoras cuánticas que tienen la capacidad de “cambiar drásticamente el mundo”, ha habido una carrera mundial para construir una computadora cuántica práctica.

Sin embargo, uno de los mayores desafíos que obstaculiza el crecimiento de las computadoras cuánticas es la escalabilidad, lo que significa que las computadoras lo suficientemente grandes pueden abordar problemas de la vida real. Para tener una computadora cuántica que pueda abordar problemas útiles, necesitamos más qubits o una forma fiable de reducir los errores introducidos durante los cálculos.

Así, investigadores en Japón abordaron el problema aumentando el número manejable de qubits y disminuyendo el número requerido de qubits.

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

En este experimento, se mostró que un circuito superconductivo podía controlar múltiples qubits a través de un solo cable usando 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 impulsar sustancialmente el número de qubits controlables y contribuir al desarrollo de computadoras cuánticas a gran escala.

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

Se ha demostrado que la crio-electrónica funciona a frecuencias de reloj de alta velocidad a cuatro grados por encima del cero absoluto. Ahora, el foco está en reducir el consumo de energía para minimizar el calor generado junto a los qubits. 

Otro foco de los investigadores japoneses es encontrar formas de corregir errores de procesamiento. En medio de esto, 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, el ditelururo de tungsteno (WTe2). La técnica utilizó una ‘semilla’ de metal depositado (paladio) sobre la superficie del aislante para formar una nueva estructura cristalina, Pd7WTe2, que mostró resistencia cero.

La técnica de difusión atómica funciona con una variedad de materiales, incluido el ditelururo de molibdeno (MoTe2).

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

Abordando la decoherencia y mejorando el rendimiento

Otro avance en la computación cuántica surgió 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 una computadora cuántica.

Como hemos señalado, la operación continua de dicha computadora se interrumpe debido a lo fácil que el estado cuántico de un qubit puede desestabilizarse. Esto se llama decoherencia y conduce a errores en los cálculos. Ocurre por interacciones con otros qubits y su entorno.

Y dado que los qubits superconductores permiten cambiar entre diferentes estados en el menor tiempo posible, son el foco de una creciente investigación. Pero aunque pueden mejorar el tiempo de conmutación, también son más susceptibles a la decoherencia en tan solo milisegundos.

Así, un grupo internacional de investigadores propuso un diseño de unión Josephson, denominado “flowermon”. Este diseño utiliza dos láminas de cuprato de un átomo de espesor, un material superconductor basado en cobre.

“El flowermon moderniza la antigua idea de usar superconductores no convencionales para circuitos cuánticos protegidos y lo 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 los 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 órdenes de magnitud. Sin embargo, era puramente teórico, y el equipo planea usar sus resultados para optimizar los qubits superconductores a continuación.

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

Un diodo es un dispositivo que permite el flujo de corriente en una dirección. Aunque normalmente se fabrica con semiconductores, los investigadores han estado explorando la fabricación de diodos con superconductores, que permiten la transferencia de energía sin perder potencia en el proceso.

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

“Queremos hacer las computadoras más potentes, pero hay algunos límites duros que pronto alcanzaremos con nuestros materiales y métodos de fabricación actuales.” 

El mayor desafío para aumentar la potencia de cálculo es disipar energía, por lo que el equipo optó por usar tecnologías superconductoras.

El dispositivo diodo superconductor fue construido usando tres uniones Josephson. Aunque se fabricó al intercalar piezas de material no superconductor en 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 mediante voltaje. También puede procesar múltiples señales eléctricas a la vez, a diferencia de los diodos habituales, que solo pueden manejar una entrada y salida cada uno. Estas características pueden hacer que el diodo superconductor se utilice incluso en la computación neuromórfica inspirada en el cerebro.

En la computación neuromórfica, los circuitos eléctricos están diseñados para imitar cómo funcionan las neuronas en el cerebro humano para mejorar el rendimiento.

Según Mohit Gupta, primer autor del artículo, este nuevo diodo superconductor es más eficiente energéticamente que otros diodos superconductores. Más específicamente, por primera vez, incorpora una serie de compuertas para controlar el flujo de energía. Esta característica no se había incorporado antes en un diodo superconductor, pero este estudio ha “demostrado que se pueden añadir compuertas y aplicar campos eléctricos para sintonizar este efecto.” 

Además, el material usado en esta investigación era más amigable para la industria y capaz de ofrecer nuevas funcionalidades.

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

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

– Pribiag

Esto tiene una importancia especial hoy, ya que el uso de IA crece sustancialmente. Esto ha llevado a que la gente investigue algoritmos para computadoras o máquinas de IA que puedan superar el rendimiento de las computadoras clásicas. Este estudio, señaló Pribiag, está desarrollando el hardware para permitir que las computadoras cuánticas implementen estos algoritmos. 

La investigación fue financiada principalmente por el Departamento de Energía de los Estados Unidos con apoyo parcial de la National Science Foundation y Microsoft Research.

Reduciendo el tamaño de los qubits con materiales 2D sin afectar el rendimiento

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

Para superar la velocidad y capacidad de las computadoras clásicas, los qubits de las computadoras cuánticas deben estar en la misma longitud de onda. Para lograr esto, los investigadores suelen sacrificar el tamaño de estos qubits, que hoy en día se miden en milímetros, a diferencia de sus contrapartes clásicas, cuyos transistores se han reducido a nanómetros.

Para reducir el tamaño de los qubits de modo que no tengan una gran huella física mientras mantienen su rendimiento, James Hone, profesor Wang Fong-Jen de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Columbia, mostró un capacitor de qubit superconductivo realmente pequeño.

Anteriormente, los ingenieros usaban capacitores planares para construir chips de qubits. Aquí, las placas cargadas se colocan una al lado de la otra, y aunque pueden apilarse para ahorrar espacio, eso interferiría con el almacenamiento de información del qubit.

Así, los estudiantes de doctorado de Hone, Anjaly Rajendra y Abhinandan Antony, intercalaron una capa aislante de nitruro de boro entre dos placas cargadas de niobio diseleniuro superconductivo. Con solo un átomo de espesor, estas capas están unidas por fuerzas de Van der Waals, una interacción débil entre fuerzas electrostáticas. 

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

Al enfriarse, los qubits obtuvieron la misma longitud de onda. También se observó que se entrelazaron y actuaron como una sola unidad. Esta coherencia cuántica, aunque solo de corta duración (un poco más de un microsegundo), significa que el estado cuántico del qubit puede manipularse y leerse mediante pulsos eléctricos. Según Hone:

“Ahora sabemos que los materiales 2D pueden contener la clave para hacer posibles las computadoras cuánticas. Todavía es muy temprano, pero hallazgos como estos impulsarán a investigadores de 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 (2D) han marcado un avance significativo en la ciencia de materiales. A diferencia de los materiales 3D, los materiales cuánticos 2D tienen solo uno o unos pocos átomos de espesor, y los electrones pueden moverse en las tres direcciones.

Algunos materiales 2D populares incluyen Siliceno, Grafeno, Germaneno, Staneno, Fosforeno, Dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs) y Nitruro de boro hexagonal (h-BN).

Aunque estos materiales ofrecen propiedades diversas y potencial para aplicaciones tecnológicas transformadoras, enfrentan desafíos en cuanto a síntesis, integración y escalabilidad que deben superarse antes de que se pueda realizar todo su potencial.

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 fuertemente invertido en la investigación de computación cuántica a través de su subsidiaria Google Quantum AI. La división ha creado un procesador cuántico superconductor llamado Sycamore, que, en 2019, pudo completar un cálculo en 200 segundos que de otro modo habría tomado 10.000 años incluso para una supercomputadora potente. Desde entonces, el procesador cuántico Sycamore ha crecido sustancialmente y ahora posee 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) cotizan a $165.68, con un aumento del 18.56% en lo que va del año. Para el Q2 2024, Alphabet reportó un aumento del 28.6% en su ingreso neto a $23.6bln, mientras que los ingresos totales crecieron un 14% a $84.74bln. 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 compañía anunció la aceleración de sus esfuerzos de computación cuántica en centros de supercomputación nacionales en Alemania, Japón y Polonia con la plataforma de código abierto NVIDIA CUDA-Q™.

El favorito de IA del mercado, las acciones de NVIDIA han tenido un gran desempeño este año, como lo evidencia su aumento del 161.24% en 2024 hasta ahora. Este impulso ha llevado a que las acciones NVDA coticen a $129.45, situando la capitalización de mercado de la compañía en $3.188 billones. El fabricante de chips reportó un récord en el Q1 de 2024, con ingresos de $22.1bln.

Conclusión

Así, investigadores, organizaciones y empresas de todo el mundo están trabajando en avanzar 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 todo el potencial transformador de esta tecnología.

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