Informática.
Impulsando el futuro cuántico: interferencia fonónica y nuevos materiales
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A diferencia de las computadoras clásicas, como nuestras computadoras portátiles y teléfonos inteligentes, una computadora cuántica utiliza las propiedades de la física cuántica para realizar cálculos y almacenar datos, lo que la hace mejor que incluso algunas de las mejores supercomputadoras actuales en ciertas tareas.
A diferencia de la codificación de información en bits binarios (ya sean 0 o 1) como las computadoras comunes, la unidad básica de memoria de una computadora cuántica es un qubit, que se hace utilizando sistemas físicos como el espín de un electrón o la orientación de un fotón.
Bits cuánticos, o qubits, se pueden organizar de muchas maneras diferentes a la vez. Esta significa que pueden representar 0 y 1 simultáneamente, una propiedad llamada superposición cuántica. Los cúbits también pueden estar vinculado a través del entrelazamiento cuántico, donde las partículas conectadas comparten el mismo destino independientemente de la distancia entre ellas.
Como resultado, una computadora cuántica es creido tener la capacidad de realizar cálculos exponencialmente más rápido que cualquier computadora clásica.
Con esta ventaja, las computadoras cuánticas prometen revolucionar la informática moderna. En teoría, pueden optimizar la logística, romper los esquemas de cifrado habituales, facilitar el descubrimiento de nuevos fármacos y materiales, y ayudar a los físicos a realizar simulaciones físicas.
Si bien las computadoras cuánticas aún no se han convertido en una realidad, La búsqueda para crear uno práctico se está acelerando a medida que las principales empresas de tecnología trabajan para escalar desde pequeños experimentos de laboratorio a sistemas completamente funcionales en los próximos años.
IBM ya ha presentado su plan detallado. Jay Gambetta, director de la iniciativa cuántica de IBM, le dijo al Financial Times que ya no es un sueño:
“Realmente siento que hemos descifrado el código y que podremos construir esta máquina a finales de la década”.
Mientras que Google, un Alphabet (GOOG ) La empresa de su propiedad también confía en su capacidad para producir un sistema a escala industrial en este período de tiempo, Amazon (AMZN ) Se esperan algunas décadas más para que estas máquinas sean realmente útiles.
Es evidente que hay un fuerte interés en esta tecnología emergente entre los principales actores de la industria, aunque su adopción en el mundo real continúa viéndose obstaculizada por varios desafíos.
Esta Incluye la susceptibilidad de los cúbits a las perturbaciones del entorno, también conocidas como «ruido». Factores como el calor, las vibraciones y los campos electromagnéticos. puede hacer que un cúbit pierda sus propiedades cuánticas. Este proceso, conocido como decoherencia cuántica, provoca que el sistema se colapse y Introducir errores en los cálculos. Esta sensibilidad supone un gran reto para la construcción y el funcionamiento de ordenadores cuánticos.
Para proteger a los qubits de interferencias externas, los científicos los aíslan físicamente, los mantienen fríos o los bombardean con ráfagas concentradas de energía.
Además del ruido, la corrección de errores, la escalabilidad, el conocimiento especializado, el uso intensivo de recursos y la integración con sistemas clásicos son otros desafíos que enfrentan las computadoras cuánticas. Afortunadamente, empresas y científicos están abordando activamente estos problemas mediante diferentes enfoques para hacer realidad las computadoras cuánticas.
Neglectones: partículas olvidadas en la computación cuántica
Una de las formas de superar la fragilidad de los qubits para construir computadoras cuánticas estables es combinarlos con elementos matemáticos que fueron vistos previamente como irrelevante.
Este descubrimiento fue reportado por matemáticos la semana pasada, quienes notaron que partículas pasadas por alto llamadas Los “neglectons” pueden ayudar a revolucionar el sector1.
La cuasipartícula que analizamos aquí se denomina anyón de Ising, que existe únicamente en sistemas 2D y constituye el núcleo de la computación cuántica topológica. Esto significa que los anyones no almacenan información en las partículas, sino en su forma de bucle, lo cual es mucho más resistente al ruido. El problema radica en que los anyones de Ising no son universales.
Para abordar esto, el equipo recurrió a la teoría cuántica de campos topológicos no semisimple. Esta teoría permite predecir nuevas partículas desconocidas simplemente comprendiendo la simetría de lo que sucede.
Según esto, cada partícula tiene una dimensión cuántica, un número que refleja cuánto “peso” o influencia tiene en el sistema. Si bien la partícula con peso cero generalmente se descarta, en las nuevas versiones no semisimples, esas partículas se mantienen antes averiguando cómo Haz que ese número no sea cero.
Las piezas olvidadas reinterpretadas aportan las capacidades faltantes de los anyons de Ising.
El estudio demostró que, con un solo neglecton, la partícula es capaz de computación universal simplemente mediante el trenzado. Cabe destacar que los anyones de Ising pueden crear superposiciones, ya que dependen de la forma de la trayectoria de trenzado y no de ubicaciones precisas. están protegidos naturalmente de muchos tipos de ruido.
Entrenamiento de IA para reorganizar átomos de manera eficiente
En otro caso, los investigadores Utilizaron IA para ensamblar el "cerebro" de una computadora cuántica2.
Que equipo ¿Qué hicieron? ¿Fueron ellos? emplearon inteligencia artificial para Propongamos la forma más óptima para construir rápidamente una red de átomos que pueda actuar como el cerebro de una computadora cuántica algún día en el futuro.
Según el coautor del estudio, Jian-Wei Pan, físico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China:
“La IA aplicada a la ciencia está surgiendo como un poderoso paradigma para abordar problemas científicos complejos”.
Al construir "matrices de átomos neutrales", el desafío es encontrar la forma de reorganizarlos de una manera "eficiente, rápida y escalable", algo que la IA logró resolver.
Los investigadores utilizan átomos neutros, iones atrapados y circuitos superconductores para crear qubits debido a su capacidad de mantener estados cuánticos durante un tiempo relativamente largo. Cuando los átomos se utilizan como qubits, ellos estan atrapados con luz láser y almacenan información cuántica en los niveles de energía de sus electrones.
La idea es utilizar suficientes átomos para ayudar a una computadora cuántica a superar los errores. Entonces, el equipo entrenó al modelo de IA sobre cómo Los átomos de rubidio (Rb) se pueden poner En diferentes configuraciones de cuadrícula, se utilizan diversos patrones de luz láser. Luego, basándose en las posiciones iniciales de los átomos, el modelo de IA puede calcular el patrón de luz preciso necesario para reorganizarlos en formas 2D y 3D.
Utilizando su modelo de IA, el equipo ensambló una matriz de hasta 2,024 átomos de rubidio en tan solo 60 milisegundos. El estudio señaló:
"Este protocolo se puede utilizar fácilmente para generar matrices libres de defectos de decenas de miles de átomos con las tecnologías actuales y convertirse en una caja de herramientas útil para la corrección de errores cuánticos."
Destilación del estado mágico de los cúbits lógicos
Mientras tanto, el mes pasado, los científicos logró un avance de "estado mágico"3 para construir computadoras cuánticas libres de errores.
Los científicos demostraron un fenómeno llamado «destilación del estado mágico», que, si bien se propuso hace dos décadas, hasta ahora no se había utilizado en qubits lógicos. Esta es a pesar de ser considerado crítico para producir 'estados mágicos', que son necesario para alcanzar todo el potencial de las computadoras cuánticas.
Estos estados se preparan de antemano para su consumo como recursos mediante algoritmos cuánticos complejos.
Para su utilización por algoritmos, los estados mágicos de mayor calidad se "purifican" primero mediante un proceso de filtrado denominado destilación de estados mágicos. Si bien es posible en cúbits físicos simples y propensos a errores, este proceso no es posible en cúbits lógicos que... están configurados para detectar y corregir los errores.
Ahora, por primera vez, los científicos han demostrado la destilación del estado mágico en la práctica en qubits lógicos.
Utilizando la computadora cuántica Gemini de átomo neutro, los científicos destilaron cinco estados mágicos imperfectos en un estado mágico más limpio. Al realizar esto por separado en un cúbit lógico de Distancia-3 y un cúbit lógico de Distancia-5, los científicos demostraron que el proceso de destilación escala con la calidad del cúbit lógico.
Como resultado de esto, la fidelidad del estado mágico final supera la fidelidad de cualquier entrada, lo que confirma que la destilación del estado mágico resistente a perturbaciones realmente funciona en la práctica.
Desbloqueo de la memoria cuántica con ondas sonoras
Ahora, justo la semana pasada, los científicos de Caltech publicaron su investigación que demostró Las ondas sonoras abren otro camino hacia la computación cuántica práctica4.
Han construido una memoria cuántica híbrida que transforma la información eléctrica en sonido. Esta permite que los estados cuánticos vivan hasta treinta veces más que en los sistemas superconductores estándar, donde resonadores cuidadosamente diseñados permiten que los electrones formen cúbits superconductores que se destacan en la realización de operaciones rápidas y complejas pero no son adecuados para almacenamiento a largo plazo.
Almacenar información en estados cuánticos sigue siendo un desafío, y para abordarlo los investigadores están creando “memorias cuánticas” para contener la información cuántica durante un período que supera al de los qubits superconductores ampliamente utilizados. Y el novedoso método híbrido del equipo de Caltech ha ampliado la memoria cuántica.
Una vez que se tiene un estado cuántico, es posible que no se desee hacer nada con él inmediatamente. Se necesita una forma de regresar a él cuando se desee realizar una operación lógica. Para ello, se necesita una memoria cuántica.
– Mohammad Mirhosseini, profesor asistente de ingeniería eléctrica y aplicada física
Entonces, el equipo creó un qubit superconductor en un chip y lo conectó a un pequeño dispositivo llamado oscilador mecánico, que es básicamente un diapasón de pequeña escala.
Este oscilador está formado por de placas flexibles que vibran en respuesta a ondas sonoras de frecuencias de GHz. Al aplicar una carga eléctrica, estas placas interactúan con señales eléctricas que transportan información cuántica, lo que permite que la información ser canalizado en el dispositivo para almacenarlo como “memoria” y luego canalizarlo o “recordarlo”.
Tras la medición, los investigadores descubrieron que el oscilador tenía una vida útil, es decir, el tiempo que tarda en perderse el contenido cuántico una vez que se pierde la información. es ingresado en el dispositivo, que era aproximadamente 30 veces más largo que el de los mejores qubits superconductores.
En medio de todo este progreso, dos nuevos estudios apoyados por la Fundación Nacional de Ciencias han logrado... gran avances que nos acercan un paso más al uso práctico de las computadoras cuánticas.
Nuevos materiales cuánticos para cúbits estables
Un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, La Universidad de Helsinki y la Universidad Aalto han presentado un material cuántico que puede revolucionar la computación cuántica para siempre, aumentando la estabilidad de las computadoras cuánticas. Esto se logra mediante el uso del magnetismo para proteger los frágiles cúbits del ruido.
Al combinarse con su herramienta computacional para encontrar materiales con interacciones magnéticas, este avance puede finalmente conducir a computadoras cuánticas prácticas y tolerantes a fallas.
El nuevo tipo de material cuántico, junto con un método para lograr la estabilidad, puede hacer que las computadoras cuánticas sean más resistentes, abriendo así el camino para su uso práctico en el manejo de cálculos cuánticos.
En los últimos tiempos, los investigadores han estado explorando activamente la posibilidad de crear materiales completamente nuevos para resolver el problema del ruido proporcionando la protección necesaria contra las perturbaciones en su topología.
Estados cuánticos que ocurren y se sostienen La estructura inherente del material utilizado para crear cúbits se denomina excitaciones topológicas. Estas son robustas y estables. Sin embargo, el desafío reside en encontrar materiales que soporten de forma natural estados cuánticos robustos.
El último estudio ha desarrollado con éxito uno de estos Nuevo material cuántico para cúbits que muestra excitaciones topológicas robustas5.
Esta marca un avance prometedor hacia la computación cuántica topológica práctica al tener estabilidad incorporada en el diseño del material.
Según el autor principal del estudio, Guangze Chen, investigador postdoctoral en física cuántica aplicada en Chalmers:
Se trata de un tipo completamente nuevo de material cuántico exótico que puede mantener sus propiedades cuánticas al exponerse a perturbaciones externas. Puede contribuir al desarrollo de computadoras cuánticas lo suficientemente robustas como para abordar cálculos cuánticos en la práctica.
Los "materiales cuánticos exóticos" se refieren a varias clases nuevas de sólidos con gran resiliencia y propiedades cuánticas extremas, y la búsqueda de dichos materiales ha sido un desafío durante mucho tiempo.
Ahora, cuando se trata del nuevo método del equipo, el magnetismo es la clave. Lo que tradicionalmente han hecho los investigadores es seguir una “receta” establecida desde hace mucho tiempo basada en el acoplamiento espín-órbita (SOC). Esta Es una interacción cuántica que vincula el giro de un electrón con su movimiento orbital alrededor del núcleo atómico para crear excitaciones topológicas.
Pero esto es bastante poco común y sólo se puede utilizar en un número limitado de materiales. Por ello, el equipo ha presentado un nuevo método para lograr el mismo efecto. Este novedoso método utiliza el magnetismo, que es más común y accesible.
Aprovechando las interacciones magnéticas, el equipo pudo crear excitaciones topológicas robustas necesarias para la computación cuántica topológica.
“La ventaja de nuestro método es que el magnetismo existe de forma natural en muchos materiales. Se puede comparar con hornear con ingredientes cotidianos en lugar de usar especias raras”, señaló Chen. “Esto significa que ahora podemos buscar propiedades topológicas en un espectro mucho más amplio de materiales, incluidos aquellos que previamente no se habían… han sido pasados por alto."
Además de un nuevo material y método, los investigadores también desarrollaron una nueva herramienta computacional.
La herramienta les ayudó a encontrar nuevos materiales con las propiedades topológicas deseadas más rápidamente. Puede calcular directamente la solidez del comportamiento topológico de un material.
"Nuestra esperanza es "Este enfoque puede ayudar a guiar el descubrimiento de muchos más materiales exóticos", afirmó Chen. "En última instancia, esto puede conducir a plataformas de computación cuántica de próxima generación, construidas con materiales naturalmente resistentes a las perturbaciones que afectan a los sistemas actuales".
Aprovechar el poder sin explotar de los fonones
Se ha producido otro gran avance sido logrado por investigadores de la Universidad Rice, lo que puede allanar el camino para tecnologías de próxima generación en detección y computación. Este tiene Se ha mostrado una fuerte forma de interferencia entre fonones.6.
Los fonones son vibraciones en la estructura de un material que constituyen las unidades más pequeñas de calor o sonido en ese sistema.
Cuando dos fonones tienen distribuciones de frecuencia diferentes entrar en interferencia entre sí, ese fenómeno se conoce como Resonancia de FanoEl estudio informó una resonancia de Fano de dos órdenes de magnitud mayor que nunca.
“Si bien este fenómeno está bien estudiado para partículas como electrones y fotones, la interferencia entre fonones ha ha sido mucho menos explorado", afirmó el primer autor del estudio, Kunyan Zhang, exinvestigador postdoctoral de Rice. "Es una oportunidad perdida, ya que los fonones pueden mantener su comportamiento ondulatorio durante mucho tiempo, lo que los convierte en una opción prometedora para dispositivos estables y de alto rendimiento".
El estudio ha demostrado eficazmente que los fonones pueden aprovecharse con el mismo éxito que la luz o los electrones, allanando el camino para una tecnología de nueva generación basada en fonones. La base de este avance es el uso de un metal 2D sobre una base de carburo de silicio.
Entre una capa de grafeno y carburo de silicio, el equipo insertó algunas capas de átomos de plata utilizando la técnica de heteroepitaxia por confinamiento, lo que produjo una interfaz fuertemente unida con propiedades cuánticas excepcionales.
“El metal 2D desencadena y refuerza la interferencia entre diferentes modos vibracionales en el carburo de silicio, alcanzando niveles récord”.
– Zhang
Para su trabajo, el equipo exploró tan solo Cómo los fonones interfieren entre sí. Para ello, analizaron la forma de su señal mediante espectroscopía Raman, una técnica utilizada para medir los modos vibracionales de un material. Los investigadores encontraron una línea marcadamente asimétrica, que en algunos casos presentaba una pendiente completa, formando un patrón de antirresonancia característico de la interferencia intensa.
Este efecto mostró una alta sensibilidad a las especificidades de la superficie del carburo de silicio (SiC).
Al comparar tres terminaciones superficiales únicas de SiC, los investigadores encontraron una fuerte conexión entre cada una de ellas y la forma única de la línea Raman. Además, la forma de la línea espectral cambió notablemente cuando una sola molécula de colorante... Fue presentado a la superficie.
“Esta interferencia es tan sensible que puede detectar la presencia de una sola molécula”, afirmó Zhang. “Permite la detección de moléculas individuales sin etiquetas con una configuración sencilla y escalable. Nuestros resultados abren un nuevo camino para el uso de fonones en la detección cuántica y la detección molecular de nueva generación”.
Al observar la dinámica del efecto a bajas temperaturas, fue confirmado que la interferencia proviene puramente de interacciones de fonones y no de electrones, lo que lo convierte en un caso raro de interferencia cuántica de solo fonones.
El equipo observó este efecto sólo en el sistema de carburo de silicio 2D que utilizaron debido a las configuraciones de la superficie y las vías de transición especiales habilitadas por la capa delgada.
“En comparación con los sensores convencionales, nuestro método ofrece una alta sensibilidad sin la necesidad de etiquetas químicas especiales ni una configuración complicada del dispositivo”, dijo el coautor Shengxi Huang, Profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y Ciencia de los materiales y nanoingeniería en Rice. «Este enfoque basado en fonones no solo avanza en la detección molecular, sino que también abre posibilidades emocionantes en el campo de la energía». “Recolección de energía, gestión térmica y tecnologías cuánticas, donde el control de las vibraciones es clave”.
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| Área de investigación | Institución / Empresa | Avance (2025) | Impacto en la computación cuántica |
|---|---|---|---|
| Neglectons / Anyons | Comunicaciones de la naturaleza (equipo internacional) | Se introdujeron los "neglectons" para permitir el cálculo universal de Ising anyon | Proporciona puertas lógicas resistentes al ruido mediante trenzado. |
| Matrices atómicas optimizadas por IA | Universidad de Ciencia y Tecnología de China | Se ensamblaron 2,024 átomos neutros en 60 ms | Base escalable para procesadores con corrección de errores |
| Destilación del estado mágico | Equipo de control de calidad de Gemini de átomos neutros | Primera demostración de la destilación de estados mágicos en cúbits lógicos | Crítico para la computación cuántica tolerante a fallos |
| Memoria cuántica | Caltech | Memoria híbrida que almacena información 30 veces más tiempo mediante fonones | Permite un almacenamiento y recuperación más prolongados de estados cuánticos. |
| Materiales exóticos | Universidad Chalmers, Universidad. de Helsinki, Universidad Aalto. | Método basado en magnetismo para excitaciones topológicas robustas | Qubits más estables y resistentes al ruido |
| Interferencia fonónica | Universidad Rice | Registra la interferencia de fonones que permite la detección de moléculas individuales | Abre el camino hacia la detección y los dispositivos basados en fonones |
Invertir en computación cuántica
Varios grandes gigantes tecnológicos e inversores están apostando fuerte por los avances cuánticos. Esto incluye a empresas como IBM (IBM ), Google, Amazonas, Microsoft (MSFT )Y muchos más. Todos están ampliando sus iniciativas cuánticas, mientras que el capital de riesgo continúa fluyendo ininterrumpidamente hacia startups que exploran nuevos materiales, corrección de errores y tecnologías fonónicas.
Microsoft (MSFT )
Entre todos estos grandes nombres, Microsoft destaca significativamente. Ha impulsado inversiones tanto en tecnología cuántica como en fusión, presentándolas como tecnologías complementarias para impulsar centros de datos basados en IA en el futuro. De forma similar, el laboratorio de IA cuántica de Google y las hojas de ruta plurianuales de IBM en materia cuántica reflejan su objetivo de lograr máquinas cuánticas prácticas en la próxima década.
(MSFT )
El precio de las acciones de Microsoft subió de aproximadamente $354 a principios de abril de 2025 a un máximo de más de $524 en agosto, antes de retroceder a alrededor de $509 el 19 de agosto. La valoración actual de la compañía incluye un PER de 38.1, con ganancias por acción (TTM) de $13.70 y una rentabilidad por dividendo del 0.59%. Para el año fiscal 2025, los ingresos ascendieron a $281.7 mil millones y los ingresos netos a $101.8 mil millones. La demanda de sus negocios de nube e IA, en particular, está impulsando su rendimiento.
Entradas Corporación Microsoft (MSFT) Noticias y desarrollos bursátiles
Conclusión
Las computadoras cuánticas cuentan con la capacidad de realizar cálculos complejos a velocidades muy superiores a las de la era digital. superando a las de las computadoras clásicas, lo que promete permitir avances en diversos campos, incluido el descubrimiento de fármacos, la ciencia de los materiales, la inteligencia artificial y la criptografía.
Pero, por supuesto, las computadoras cuánticas están lejos de ser una realidad. aun, enfrentando desafíos como el ruido, la escalabilidad, la estabilidad, el almacenamiento, la memoria y el control. Sin embargo, en el lado positivo, los investigadores están haciendo progresos constantes en todos estos diferentes frentes, y juntos nos están acercando al desbloqueo de computadoras cuánticas prácticas.
Haga clic aquí para obtener una lista de las cinco principales empresas de computación cuántica.
Referencias:
1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Computación cuántica universal utilizando anyones de Ising a partir de una teoría cuántica de campos topológica no semisimple. Nature Communications, 16, 6408, publicado el 05 de agosto de 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (2025 de agosto de 15). La IA ayuda a ensamblar el cerebro de la futura computadora cuántica. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodríguez, P., Robinson, JM, Jepsen, PN, et al. Demostración experimental de la destilación del estado mágico lógico. Nature, publicado el 14 de julio de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, AB, Golami, O., Yu, Y., et al. Una memoria cuántica mecánica para fotones de microondas. Física de la naturaleza, publicado el 13 de agosto de 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, EL, Lado, JL, y Chen, G. Modos cero topológicos y bombeo de correlación en una red Kondo diseñada. Physical Review Letters, 134(11), 116605, publicado en marzo de 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., et al. Interferencia cuántica fonónica sintonizable inducida por metales bidimensionales. Science Advances, 11, eadw1800, publicado 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800
