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En el último mes, los investigadores de todo el mundo están haciendo descubrimientos históricos sobre bits cuánticos o qubits. El factor ambiental más importante que se interpone en el camino de las computadoras cuánticas que ingresan a los espacios comerciales es que los qubits tienen una baja tolerancia a la temperatura; anteriormente, solo podían funcionar a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Esto se debe a que un qubit que almacena un estado cuántico colapsará si se "observa" o se ve afectado por factores externos. Por ejemplo, un fotón que golpea un qubit causará su colapso y compensará una vibración térmica de una partícula cercana.
Es por eso que muchos científicos están trabajando en la creación de sistemas cuánticos que puedan operar por encima de estas bajas temperaturas. Tal esfuerzo los sacará del laboratorio y los llevará al campo comercial. En este artículo, veremos investigaciones científicas recientes que prueban que los "qubits calientes", incluso a temperatura ambiente, son ahora una realidad.

Los innovadores "Hot Qubits" de los investigadores de Sydney

Un equipo de investigadores de UNSW Sydney ha trabajado para resolver el problema de los requisitos de qubit de cero absoluto y puede tener una solución que funcione con silicio regular. El dispositivo de prueba es una celda de unidad de procesador cuántico de prueba de concepto que puede funcionar a temperaturas de hasta 1.5 grados Kelvin. Si bien esto puede sonar extremadamente frío, sigue siendo 15 veces mayor que los producidos por otros, incluidos Google e IBM. Los resultados de esta investigación fueron publicados en Nature.

Investigadores de UNSW Sydney están al lado de un refrigerador de dilución, que mantiene a los qubits funcionando a temperaturas extremadamente frías. Imagen utilizada por cortesía de UNSW Sydney

Los investigadores crearon chips cuánticos que pueden operar en conjunto con chips de silicio convencionales. Cuando estos dos chips se colocan uno al lado del otro a bajas temperaturas, pueden controlar las operaciones de lectura y escritura de los cálculos cuánticos.

Chip cuántico colocado en temperaturas frías junto al chip de silicio convencional. Imagen utilizada por cortesía de UNSW Sydney

Para demostrar la viabilidad del diseño, otro equipo del otro lado del mundo en los Países Bajos utilizó la misma tecnología para crear un qubit en caliente, que también funcionó como se esperaba. El diseño utiliza dos qubits que están confinados en un par de puntos cuánticos, todos los cuales están incrustados en silicio.
Lo que también hace que esta investigación sea innovadora es que otros laboratorios pueden replicar esta hazaña de temperatura con unos pocos miles de dólares en equipos. Esto significa que incluso las pequeñas empresas pueden acceder a su propia computadora cuántica.
El hecho de que esta tecnología se pueda construir utilizando tecnología de silicio significa que se puede integrar fácilmente en los diseños electrónicos existentes, alimentando datos en dichos sistemas e interpretando los resultados.

Intel y QuTech hacen descubrimientos concurrentes con UNSW en Hot Qubits

El mismo día que los investigadores de Sydney publicaron sus hallazgos sobre "qubits calientes", Intel también publicó su propia investigación sobre qubits calientes. Intel, uno de los principales proveedores mundiales de tecnología de procesador y memoria, se asoció con QuTech para producir un "qubit en caliente" que puede funcionar a temperaturas de hasta 1.1 grados Kelvin. Si bien no es tan alto como UNSW, la marca de 1.1 grados Kelvin sigue siendo una temperatura alcanzable utilizando equipos de bajo costo (en comparación con cero absoluto). Los investigadores del proyecto también publicaron sus hallazgos en Nature.
El qubit diseñado por el equipo tiene una fidelidad del 99,3%, es decir, un qubit de alta calidad con un alto grado de separación cuántica entre estados. Sin embargo, el rendimiento de los qubits de spin se ve mínimamente afectado cuando las temperaturas alcanzan los 1,25 grados Kelvin.

Una oblea isotópicamente pura que Intel utilizó para crear un flujo de fabricación de spin qubit en su tecnología de proceso de 300 mm. Imagen utilizada por cortesía de Walden Kirsch / Intel Corporation

El diseño, que funciona con tecnología de silicio estándar, demuestra el control de un solo qubit mediante el uso de resonancia y lectura de espín electrónico utilizando el método de bloqueo de espín Pauli. El dispositivo demostrado también muestra control coherente individual de dos qubits y capacidad de giro de 0,5 MHz a 18 MHz.
Debido a que se puede integrar en la tecnología de silicio estándar, el qubit desarrollado por Intel y QuTech puede incorporar circuitos de control y procesadores cuánticos en un solo dispositivo.

Investigadores rusos redefinen el "Hot Qubit" con Qubits a temperatura ambiente

Mientras que los equipos de Sydney e Intel han creado qubits que operan a temperaturas superiores al cero absoluto, un equipo de Rusia junto con colegas de Suecia, Hungría y Estados Unidos, han desarrollado un método para fabricar qubits a temperatura ambiente.
Según el trabajo de investigación en Nature Communications, se ha demostrado que los qubits funcionan a temperatura ambiente cuando se integran en defectos puntuales en los diamantes, lo que se logra mediante la sustitución de un átomo de carbono con un átomo de nitrógeno. Sin embargo, producir tales diamantes puede ser una tarea de fabricación costosa. Aquí es donde el equipo líder ruso ha intensificado.

Los investigadores descubrieron que podían estabilizar qubits de espín con defectos de punto mediante pozos cuánticos. Imagen utilizada por cortesía de MISIS

El equipo determinó que el carburo de silicio era un sustituto adecuado del diamante cuando se usaba un láser para golpear un defecto en el cristal. Cuando se bombardea con fotones, las luminiscencias de defectos y la espectroscopía resultante muestran seis picos distintivos (PL1 a PL6).
Son estos picos los que muestran la capacidad de SiC para usarse como qubit y, por lo tanto, qué estructura se necesita. Por lo tanto, su método para crear qubits a temperatura ambiente utilizaría una deposición química de vapor de SiC, una alternativa de bajo costo al diamante.
El descubrimiento del uso de SiC en qubits cuánticos ya ha dado lugar a magnetómetros, biosensores y tecnologías cuánticas de Internet de alta precisión basadas en SiC.

El futuro de Hot Qubits

Un qubit en caliente que puede operar en una pieza de silicio junto con los componentes existentes revolucionaría la industria informática.
Si bien las computadoras cuánticas convencionales aún están a una o dos décadas de distancia, estos avances en la tecnología qubit muestran cómo la tecnología cuántica no se atascará en los laboratorios indefinidamente y eventualmente estará abierta al público. Se desconoce cómo afectarán las tecnologías cuánticas a los ingenieros electrónicos, ya que no sabemos hasta dónde llegará la integración cuántica.
¿Se integrarán en microcontroladores? ¿Los dispositivos deberán desplegar seguridad cuántica? Sólo el tiempo dirá.