La computación cuántica avanza con tecnología superconductora avanzada

La computación cuántica, una tecnología emergente, 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, como tales, pueden realizar cálculos mucho más rápido. 

Por otro lado, Estos qubits vienen en diferentes formas., incluidos los qubits de iones atrapados, que utilizan iones o átomos cargados; qubits fotónicos, que utilizan partículas de luz; y qubits superconductores, que son un circuito con una corriente eléctrica que viaja a su alrededor.

Los qubits superconductores, parte de la computación cuántica de "estado sólido", se demostraron por primera vez en 1999. Desde entonces, han evolucionado hasta convertirse en una de las principales formas de tecnología de qubit, ofreciendo beneficios como menor disipación de energía, baja resistencia, menor decoherencia, circuitos cuánticos escalables, operación de qubit de alta velocidad, estados de qubit estables, control de qubit 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 en curso nos acerca a hacerlas realidad.

Avances recientes en materiales superconductores

Esta misma 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”, un tipo que utiliza un hueco o el estado deslocalizado de 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 ser superpuesto en su imagen especular, con un superconductor en estado superficial generado en la superficie de una fina película 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 giro estable. Este innovador material superconductor tiene el potencial de revolucionar la escalabilidad y confiabilidad de los componentes de la computación cuántica. 

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

– Wei, profesor asociado de física y astronomía.

Bajo un campo magnético, el material fue visto más haciendo 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 en un campo magnético alto que en uno bajo. 

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

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

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

"Lo logramos utilizando materiales que son un orden de magnitud más delgados que los que se utilizan normalmente en la industria de la computación cuántica".

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

Una semana antes, un equipo dirigido por la UCLA también publicó un estudio que presenta nuevo material que parece prometedor para la computación cuántica. 

El material conservó 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 observa típicamente en los superconductores quirales y apenas se ve en los 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 bidimensional de disulfuro de tantalio (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 energéticamente más eficiente.

Innovaciones en control y escalabilidad de Qubit

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

Sin embargo, uno de los mayores desafíos que obstaculizan el crecimiento de las computadoras cuánticas es la escalabilidad, lo que significa que 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 confiable de reducir los errores introducidos durante los cálculos.

Entonces, los investigadores en Japón decidieron abordar el problema aumentando la cantidad manejable de qubits y disminuyendo la cantidad requerida de qubits.

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 fue mostrado Controlar múltiples cúbits a través de un solo cable mediante multiplexación de microondas. El circuito tiene el potencial de aumentar la densidad de las señales de microondas por cable en aproximadamente 1,000 veces. Este logro puede aumentar sustancialmente el número de cúbits controlables y contribuir al desarrollo de computadoras cuánticas a gran escala.

Para reducir el hardware necesario para la interacción entre cúbits y electrónica a temperatura ambiente, se desarrolló una innovadora «crioelectrónica». La «crioelectrónica» consiste en electrónica para el control y la lectura de cúbits que opera a temperaturas criogénicas cercanas a los cúbits. 

También se ha demostrado que la crioelectrónica funciona a frecuencias de reloj de alta velocidad a cuatro grados sobre el cero absoluto. Ahora, la atención se centra en reducir el consumo de energía para minimizar el calor generado junto a los qubits. 

Otro objetivo más 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 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, Pd₄WTe₂, que presentó resistencia cero.

La técnica de dispersión de átomos funciona con éxito con una variedad de ingredientes, incluido el ditelururo de molibdeno (MoTe2).

Aunque se necesitan más pruebas para determinar si se trata de 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 se produjo a principios de este año cuando los investigadores introdujeron un nuevo enfoque para los circuitos superconductores. Este enfoque tiene el potencial de ampliar significativamente el tiempo de ejecución de una computadora cuántica.

Como hemos señalado, el funcionamiento continuo de una computadora de este tipo se ve interrumpido debido a la facilidad con la que se puede desestabilizar el estado cuántico de un qubit. Esto se llama decoherencia y conduce a errores en los cálculos. Esto sucede debido a las interacciones con otros qubits y su entorno.

Y debido a que los qubits superconductores permiten cambiar entre diferentes estados en el menor tiempo posible, son el foco de una investigación cada vez mayor. Pero si bien pueden mejorar el tiempo de conmutación, también son más susceptibles a la decoherencia en tan solo milisegundos.

Entonces, un grupo internacional de investigadores propuso un diseño de unión Josephson, que se denomina "flowermon". Este diseño utiliza dos escamas de cuprato de un átomo de espesor, un material superconductor a base de 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 cúbits en órdenes de magnitud. Sin embargo, era puramente teórico, y el equipo planea utilizar sus resultados para optimizar los cúbits superconductores próximamente.

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 sólo puede ayudar a ampliar 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 generalmente se fabrican con semiconductores, los investigadores han estado explorando la posibilidad de fabricar diodos con superconductores, que permiten la transferencia de energía sin perder potencia en el camino.

El autor principal de la investigación, Vlad Pribiag, quien es profesor asociado en la Facultad de Física y Astronomía, célebre:

"Queremos hacer que las computadoras sean más poderosas, pero hay algunos límites estrictos que pronto alcanzaremos con nuestros materiales y métodos de fabricación actuales". 

El mayor desafío para mejorar la potencia informática es la disipación de energía, por lo que el equipo optó por utilizar tecnologías superconductoras.

El dispositivo de diodo superconductor fue construida utilizando tres uniones Josephson. Mientras se fabricaban intercalando piezas de material no superconductor en medio de superconductores, los investigadores aquí tenían los superconductores conectados con capas de semiconductores. 

Este diseño único permitió a los investigadores controlar el comportamiento del dispositivo mediante voltaje. Además, puede procesar múltiples señales eléctricas simultáneamente, a diferencia de los diodos habituales, que solo admiten una entrada y una salida cada uno. Estas características permiten que el diodo superconductor incluso se utilice en computación neuromórfica inspirada en el cerebro.

En la computación neuromórfica, los circuitos eléctricos están diseñados para copiar 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 puertas 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 puertas y aplicar campos eléctricos para ajustar este efecto. 

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

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

Actualmente, todas las máquinas de computación cuántica disponibles son muy básicas en comparación con las necesidades de las aplicaciones del mundo real. Es necesario ampliar su escalabilidad para tener una computadora lo suficientemente potente como para abordar problemas útiles y complejos.

– Pribiag

Esta Tiene una importancia especial hoy en día, ya que el uso de la IA crece sustancialmente. Esta Ha llevado a la gente a investigar algoritmos para computadoras o máquinas de IA que puedan superar el rendimiento de las computadoras clásicas. Este estudio, señaló Pribiag, está desarrollando el hardware que permitirá a las computadoras cuánticas implementar estos algoritmos. 

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

Reducir 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 las computadoras clásicas, los cúbits de las computadoras cuánticas deben estar en la misma longitud de onda. Para lograrlo, los investigadores suelen sacrificar el tamaño de estos cúbits, que incluso hoy se miden en milímetros, a diferencia de sus homólogos clásicos, cuyos transistores se han reducido a nanómetros.

Para reducir el tamaño de los qubits de modo que no ocupen una gran huella física y mantengan su rendimiento, James Hone, profesor Wang Fong-Jen de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Columbia, mostró un condensador de qubit superconductor realmente pequeño.

Anteriormente, los ingenieros utilizaban condensadores planos para construir chips qubit. Aquí, placas cargadas se establecen lado a lado, y mientras se pueden apilar 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 diseleniuro de niobio superconductor. Con un grosor de tan solo un átomo, estas capas se mantienen unidas por fuerzas de van der Waals, una interacción débil entre fuerzas electrostáticas. 

Luego, los condensadores se combinaron con circuitos de aluminio para crear un chip. Este chip tenía dos qubits y tenía sólo 35 nanómetros de espesor, 1,000 veces más pequeño que los producidos mediante métodos convencionales.

Cuando se enfriaron, los qubits obtuvieron la misma longitud de onda. También se observó que se enredaban y actuaban como una sola unidad. Esta coherencia cuántica, aunque de corta duración (un poco más de un microsegundo), significa que el estado cuántico del qubit puede manipularse y leerse mediante impulsos eléctricos. Según perfeccionar:

“Ahora sabemos que los materiales 2D pueden ser la clave para hacer posibles las computadoras cuánticas. Aún es muy temprano, pero hallazgos como estos estimularán a investigadores de todo el mundo a considerar aplicaciones novedosas de materiales 2D. Esperamos ver mucho más trabajo en esta dirección. avanzando."

Gracias a su estructura única, los materiales cuánticos bidimensionales (2D) han marcado un avance significativo en la ciencia de los 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, estano, fosforeno, dichalcogenuros de metales de transición (TMDC) y nitruro de boro hexagonal (h-BN).

Si bien estos materiales ofrecen diversas propiedades y potencial para aplicaciones tecnológicas transformadoras, enfrentan desafíos en términos de síntesis, integración y escalabilidad que deben superarse. ser superado antes todo su potencial puede realizarse.

Empresas clave que lideran la revolución de la computación cuántica

Ahora, echemos un vistazo a algunas empresas destacadas que participan en el campo de los superconductores y la computación cuántica:

#1. Alfabeto (Google)

Alphabet está fuertemente invertido en investigación de computación cuántica a través de su filial Google Quantum AI. La división ha creado un procesador cuántico superconductor llamado Sycamore, que, allá por 2019, fue capaz de completar un cálculo en 200 segundos que, de otro modo, habría llevado 10,000 años incluso para un superordenador potente. 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 de dólares y sus acciones (GOOGL:NASDAQ) cotizan a 165.68 dólares, un aumento del 18.56 % hasta la fecha. Para el segundo trimestre de 2, Alphabet informó un aumento del 2024% en sus ingresos netos a 28.6 mil millones de dólares, mientras que los ingresos totales crecieron un 23.6% a 14 mil millones de dólares. La matriz de Google también anunció un dividendo en efectivo de 84.74 dólares 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 sitios nacionales de supercomputación en Alemania, Japón y Polonia con la plataforma de código abierto NVIDIA CUDA-Q™.

Las acciones de NVIDIA, la favorita del mercado de la IA, han estado en un excelente momento este año, como lo demuestra su aumento del 161.24 % en lo que va de 2024. Este aumento ha llevado las acciones de NVDA a cotizar a 129.45 dólares, lo que sitúa la capitalización bursátil de la compañía en 3.188 billones de dólares. El fabricante de chips registró un primer trimestre récord en 1, con unos ingresos de 2024 millones de dólares.

Conclusión

Investigadores, organizaciones y empresas de todo el mundo trabajan en el avance de la computación cuántica, que destaca por su capacidad para resolver problemas complejos. El enfoque en la tecnología superconductora, en particular, está impulsando avances significativos y acercándonos a la realización de todo el potencial de esta tecnología transformadora. 

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