Descubrimiento accidental nos acerca a la computación cuántica que usa microchips estándar

Una innovación accidental ha dado a la computación cuántica un nuevo impulso.

Durante décadas, los científicos han soñado con usar núcleos atómicos incrustados en silicio, el material familiar de los microchips, como bits cuánticos, o qubits, en una computadora cuántica superpoderosa, manipulándolos con campos magnéticos.

Ahora, investigadores en Australia se han topado con una forma de controlar dicho núcleo con campos eléctricos más manejables, lo que aumenta la posibilidad de controlar los qubits de la misma manera que los transistores en un microchip ordinario.

“Eso es increíblemente importante“, dice Thaddeus Ladd, físico investigador de HRL Laboratories LLC., una empresa privada de investigación.

“Esto podría cambiar el juego para los qubits nucleares en silicio”.

Una computadora común convierte los bits del 1 al 0 y viceversa.

Una computadora cuántica emplea qubits que se pueden establecer en 0, 1 o, gracias a las extrañas reglas de la mecánica cuántica, 0 y 1 al mismo tiempo.

Esto permite que una computadora cuántica procese una gran cantidad de entradas simultáneamente, lo cual es una de las razones por las cuales una grande debería ser capaz de resolver ciertos tipos de problemas complejos que sobrepasarían a cualquier computadora convencional.

El año pasado, investigadores de Google afirmaron que su pequeña computadora cuántica realizó un cálculo abstruso que habría llevado milenios a supercomputadoras convencionales.

Aún así, no está claro cuál de los muchos tipos de qubit es mejor.

Cada uno de los 53 qubits en la máquina de Google consiste en un pequeño circuito de metal superconductor que tiene dos configuraciones o “estados” con diferentes energías.

Haciéndole cosquillas con microondas, cada circuito se puede configurar en un estado, el otro o ambos.

Sin embargo, los qubits deben funcionar a temperaturas cercanas al cero absoluto en un artilugio voluminoso llamado refrigerador de dilución, que es aproximadamente del tamaño de una cabina telefónica.

Los investigadores de Google creen que pueden caber alrededor de 1000 qubits en un refrigerador de dilución.

Una computadora cuántica completa con millones de qubits podría requerir miles de refrigeradores de dilución interconectados.

En 1998, Bruce Kane, un físico de materia condensada ahora en la Universidad de Maryland, College Park, ideó una tecnología más compacta con átomos de fósforo individuales incrustados en silicio y colocados en un campo magnético.

Cada núcleo de fósforo gira como un trompo, y con un campo magnético oscilante, los investigadores podrían convencerlo para que gire en la misma dirección que el campo, en sentido contrario, o en ambos sentidos a la vez, convirtiéndolo en un qubit.

Los delicados estados de rotación durarían casi 1 segundo y, en principio, los investigadores podrían poner millones de qubits en un solo microchip de silicio.

Pero esta tecnología va a la zaga de los qubits superconductores.

Una dificultad es abordar un solo núcleo con un campo magnético porque el campo tiende a desbordarse y meterse con los núcleos vecinos.

Ahora, Andrea Morello, un ingeniero cuántico de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW), Sydney, y sus colegas han encontrado una manera de controlar dicho núcleo con un campo eléctrico más manejable.

Morello y sus colegas estudiaron un núcleo de antimonio incrustado en silicio.

El núcleo de antimonio más grande tiene mayor rotación que el fósforo.

Entonces, en un campo magnético, no solo tiene dos estados básicos, sino ocho, que van desde apuntar en la misma dirección que el campo hasta apuntar en la dirección opuesta.

Además, la distribución de carga eléctrica dentro del núcleo no es uniforme, con más carga alrededor de los polos que el ecuador.

Esa distribución de carga desigual le da a los experimentadores otro control sobre el núcleo además de su giro y magnetismo.

Pueden tomarlo con un campo eléctrico oscilante y controlarlo fácilmente de un estado de giro a otro o en combinaciones de dos.

Todo lo que se necesita es aplicar un campo eléctrico de la frecuencia correcta con un electrodo simple, informan los investigadores.

Los investigadores descubrieron el efecto por accidente, dice Morello.

Por razones que no tienen nada que ver con la computación cuántica, querían estudiar cómo reaccionaría el núcleo de antimonio incrustado en un chip de silicio a las sacudidas del campo magnético oscilante generado por un cable en el chip.

Pero el cable se derritió y se rompió, convirtiendo el cable que transporta corriente en un electrodo colector de carga que en su lugar generó un campo eléctrico oscilante.

El descubrimiento fue aún más complicado.

Para que el campo eléctrico oscilante creara un efecto, el núcleo primero tenía que asentarse en un campo eléctrico estático desigual.

Afortunadamente para los investigadores, ese campo desigual surgió naturalmente de la distorsión en el silicio causada por los cables de aluminio en su superficie que se contrajeron cuando el chip se enfrió a su temperatura de operación cerca del cero absoluto.

Los investigadores tardaron un mes en darse cuenta de lo que estaba sucediendo, dice Serwan Asaad, un postdoctorado en la UNSW.

Eso es “más de lo que me gustaría admitir ante un periodista“, dice.

Morello dice que los teóricos predijeron en 1958 que un campo eléctrico oscilante podría darle vuelta a un núcleo, pero nadie lo había observado.

El núcleo de antimonio incrustado no es exactamente un qubit porque tiene ocho estados básicos, señala Gavin Morley, físico cuántico de la Universidad de Warwick.

Pero eso está bien, dice, porque ocho estados son en realidad equivalentes a tres qubits de dos estados.

La técnica totalmente eléctrica podría usarse para controlar otros núcleos, dice, pero no el fósforo, porque tiene una distribución de carga uniforme.

Es demasiado pronto para decir si los núcleos en silicio tendrán éxito como qubits, dice Kane, mientras los investigadores luchan por ensamblar más de dos en un dispositivo.

Aún así, el avance destaca el atractivo de la tecnología de silicio para construir una computadora cuántica compacta.

“Eso es lo que mantiene nuestro pequeño campo financiado“, dice Kane.

Si una computadora cuántica basada en silicio es posible, puede ser inevitable, dice Morley.

“Hay un dicho que dice que si algo se puede hacer en silicio, se hará en silicio, solo porque la industria es tan grande“.

Fuente: Science Mag