Crean el silicio más puro del mundo, base para la próxima 'revolución cuántica'

Ahora, un grupo formado por investigadores de las universidades de Manchester (Reino Unido) y Melbourne (Australia) han dado un paso que podría ser crítico para conseguir crear los ordenadores cuánticos del futuro: un silicio tan puro que aumenta la vida de los, hasta ahora, efímeros cúbits, lo que propicia que tengan menos errores. Los resultados acaban de publicarse en 'Communication Materials', perteneciente a la revista 'Nature'.

Los ordenadores clásicos -los que todos utilizamos-, hablan en un lenguaje llamado 'bits': utilizando una combinación de circuitos eléctricos y lógicos, procesan y almacenan la información, representada en unos y ceros, según haya presencia o ausencia de señal eléctrica. En computación cuántica, estos bits son diferentes: como el gato de Schrödinger, vivo y muerto al mismo tiempo, estos bits cuánticos (cúbits) pueden ser ceros y unos a la vez. Y esto les permite, a diferencia de los ordenadores clásicos, que hacen un cálculo tras otro, realizar todos los cálculos al mismo tiempo. Es por ello que la cantidad de información y cómo se procesa crece exponencialmente, abriendo la posibilidad a cálculos muy complejos a una velocidad inigualable por los sistemas clásicos.

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Por ejemplo: diez cúbits tienen la misma potencia de procesamiento que 1.024 bits en una computadora normal. No solo eso: potencialmente pueden ocupar un volumen mucho menor, del orden de milímetros. La diferencia es tal que incluso se ha acuñado el polémico término de 'supremacía cuántica' para aquellas tareas realizadas por los sistemas cuánticos que en la práctica son imposibles de resolver para los ordenadores clásicos (básicamente porque emplearían tantos recursos y tanto tiempo -del orden de miles de años- que sería inviable utilizarlos en estos casos).

Pero no todo es tan sencillo. Para que funcione, los cúbits no pueden ser 'molestados' (o ocurriría como pasa cuando abrimos la caja del famoso gato Schrödinger, que deja de estar vivo y muerto al mismo tiempo para solo estar en uno de estos dos estados, dejando de ser cuántico). Altamente sensibles, requieren de un entorno estable (limpio de impurezas y a muy bajas temperaturas) para mantener la información que contienen. Incluso pequeños cambios en su entorno, incluidas las fluctuaciones de temperatura, pueden provocar errores informáticos y dar al traste con todo el sistema.

Y, cuantos más cúbits, más errores. Los científicos creen que un ordenador cuántico con pleno rendimiento necesitará alrededor de un millón de cúbits, lo que es un montón de unidades que pueden fallar.

El silicio es el material fundamental de la informática clásica debido a sus propiedades semiconductoras. Aunque existen diferentes métodos para acercarse a los sistemas cuánticos, los autores de este estudio creen que este material podría utilizarse también en los próximos ordenadores de este tipo. De hecho, los científicos han pasado los últimos 60 años aprendiendo cómo diseñar el silicio para que funcione al máximo de sus capacidades; sin embargo, los retos crecen aún más si hablamos de computación cuántica.

El silicio natural (Si) está formado por tres átomos de diferente masa (llamados isótopos): silicio 28, 29 y 30. Sin embargo, el Si-29, que constituye alrededor del 5% del silicio, provoca un efecto de 'cambio nuclear' que hace que el cúbit pierda información. Este nuevo trabajo ha encontrado la manera de diseñar silicio para eliminar los isótopos 29 y 30, convirtiéndolo en el silicio más puro del mundo, y abriendo el camino hacia la creación de un millón de cúbits que, según afirman los autores, «podrían fabricarse del tamaño de la cabeza de un alfiler».

«La gran ventaja de la computación cuántica de silicio es que se utilizan las mismas técnicas que se utilizan para fabricar los chips electrónicos, actualmente dentro de una computadora común que consta de miles de millones de transistores. Este material se puede utilizar para crear cúbits de silicio de alta calidad, que hasta ahora se ha visto limitado en parte por la pureza del material. Esta idea resuelve el problema», señala Ravi Acharya, investigador de doctorado de la Universidad de Manchester y uno de los autores de la investigación.

En una investigación publicada anteriormente en 'Nature Nanotechnology', la Universidad de Melbourne estableció (y aún mantiene) el récord mundial de coherencia de un solo cúbit -el tiempo que puede sobrevivir sin 'corromperse'- de 30 segundos utilizando silicio con menos grado de purificación. Ese tiempo es suficiente para completar cálculos cuánticos complejos y sin errores.

«Ahora que podemos producir silicio-28 extremadamente puro, nuestro próximo paso será demostrar que podemos mantener la coherencia cuántica para muchos cúbits simultáneamente. Un ordenador cuántico fiable con sólo 30 cúbits superaría la potencia de los superordenadores actuales para algunas aplicaciones», señala David Jamieson, de la Universidad de Melbourne y autor del estudio.

La nueva capacidad ofrece una hoja de ruta hacia dispositivos cuánticos escalables con rendimiento y capacidades incomparables y promete transformar las tecnologías de maneras difíciles de imaginar. «Ahora que podemos producir silicio-28 extremadamente puro, nuestro próximo paso será demostrar que podemos mantener la coherencia cuántica para muchos cúbits simultáneamente. Un ordenador cuántico confiable con solo 30 cúbits ya sería capaz de superar la potencia de los mejores ordenadores clásicos actuales para algunas aplicaciones», indica David Jamieson, de la Universidad de Melbourne. «Nuestra técnica abre el camino hacia computadoras cuánticas robustas que prometen cambios radicales en toda la sociedad, incluyendo en inteligencia artificial, datos y comunicaciones seguras, diseño de vacunas y medicamentos, uso de energía, logística y fabricación».