Crean el primer chip cuántico de la historia, clave para el futuro de la tecnología

Un grupo de físicos australianos ha creado el primer procesador cuántico a escala atómica del mundo. Este hallazgo no solo nos acerca a ordenadores cuánticos más rápidos y eficientes, sino que representa un avance revolucionario que nos permitirá –gracias a su capacidad de imitar el comportamiento de las moléculas orgánicas más pequeñas– crear materiales nunca vistos hasta ahora.

Ya hablamos de este equipo de investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Sydney, Australia, cuando anunciaron el descubrimiento de un resonador dietético: un prisma de cristal que se situa sobre un chip de sicilio donde están los cúbits (la unidad básica de información cuántica) para controlar su orientación. Esto evita que las computadoras cuánticas tengan que llevar largos cables y operar a bajas temperaturas como sucede con los enormes sistemas que vemos en la actualidad. Ahora han dado un paso más allá al crear el primer circuito informático cuántico de la historia. Este dispositivo tiene todos los componentes básicos de un chip normal, pero a escala cuántica (a nivel molecular o atómico).

“En los años 50, Richard Feynman dijo que nunca entenderemos cómo funciona el mundo, cómo funciona la naturaleza, a menos que podamos empezar a crearlo a su misma escala”, explica a ScienceAlert la investigadora principal de este descubrimiento, Michelle Simmons. “Si podemos empezar a entender los materiales a ese nivel [cuántico], podremos diseñar cosas que nunca se han hecho antes”.

Cómo funciona

Como explican en un artículo publicado hoy mismo en la revista Nature, los investigadores fueron capaces de simular la estructura y los estados energéticos del poliacetileno, un compuesto orgánico que forma una cadena de átomos de carbono e hidrógeno que tiene una peculiar alternancia de enlaces simples y dobles de carbono. El poliacetileno es un modelo bien conocido y replicarlo supone demostrar que el ordenador simula correctamente el movimiento de los electrones a través de la molécula.

Para hacerlo utilizaron un microscopio de efecto túnel —capaz de capturar imágenes de superficies a nivel atómico— que les permitió cololcar los puntos cuánticos con gran precisión. Algo que aseguran es clave para que el circuito pueda imitar cómo los electrones saltan a lo largo de una cadena de carbonos de uno y dos enlaces en una molécula de poliacetileno. Los investigadores tuvieron que averiguar cuántos átomos de fósforo debía tener cada uno de estos puntos cuánticos y su distancia. Y luego crearon una máquina capaz de colocar estos minúsculos puntos con exactitud dentro del chip de silicio.

A escala atómica la precisión es clave. Según explican los investigadores, si los puntos cuánticos son demasiado grandes, la interacción entre ellos se vuelve demasiado grande para controlarlos de forma independiente. Pero si los puntos son demasiado pequeños, cada átomo de fósforo adicional puede alterar significativamente la cantidad de energía que se necesita para añadir otro electrón al punto y el proceso se vuelve aleatorio e incontrolable.

El chip que ha desarrollado el equipo tiene 10 puntos cuánticos con un pequeño número de átomos de fósforo cada uno. Mientras que para conseguir simular los enlaces dobles de carbono tuvieron que acortar la distancia entre los puntos cuánticos con respecto a los enlaces de carbono simples.

Ordenadores cuánticos más potentes

“Lo que demuestra [este descubrimiento] es que se puede imitar perfectamente lo que ocurre en la molécula real. Y por eso es emocionante, porque las características de las dos cadenas son muy diferentes”, explica Simmons. “La mayoría de las otras arquitecturas de computación cuántica que existen no tienen la capacidad de diseñar átomos con una precisión subnanométrica ni de permitir que los átomos estén tan cerca. Y eso significa que ahora podemos empezar a comprender moléculas cada vez más complicadas basándonos en la colocación de los átomos como si imitaran el sistema físico real”.

La arquitectura de las computadoras cuánticas les permite manejar información a velocidades mucho más altas que los ordenadores tradiciones o, incluso, que los más potentes superordendores. Un problema que un superordenador tarda en solucionar 10.000 años le lleva a un ordenador cuántico cuatro minutos. Pero el descubrimiento de los investigadores australianos promete aumentar todavía más su capacidad.

Según cuenta la profesora Simmons, una de las ventajas que aporta esta nueva tecnología es que necesita menos componentes en el circuito para controlar los cúbits. Tener menos componentes minimiza la cantidad de interferencias con los estados cuánticos y esto permite hacer sistemas cuánticos más complejos y potentes.

“En nuestro sistema, los propios átomos crean los qubits, lo que requiere menos elementos en los circuitos”, asegura Simmons. “Sólo hemos necesitado seis puertas metálicas para controlar los electrones en nuestro sistema de 10 puntos, es decir, tenemos menos puertas que componentes activos del dispositivo. Mientras que la mayoría de las arquitecturas de computación cuántica necesitan casi el doble o más de sistemas de control para mover los electrones en la arquitectura de cúbits”.

Clave para el futuro de la tecnología

Los ordenadores cuánticos son tan potentes que pueden modelar moléculas complejas. Para crear una simulación de la molécula de la penicilina con 41 átomos harían falta 1086 transistores en un ordenador clásico, esto es “más transistores que átomos hay en el universo observable”, asegura el equipo. Un ordenador cuántico, sin embargo, sólo necesita un procesador con 286 cúbits. Esta nueva arquitectura computacional abre la puerta a entender el funcionamiento de las moléculas a escala atómica y, por tanto, a la creación de nuevos materiales nunca vistos hasta ahora.

Pero este descubrimiento puede ir mucho más allá. La computación cuántica podría ayudarnos a encontrar nuevas fuentes de energía. Como apunta ScienceAlert, un sistema tan potente podría desentrañar el proceso de la fotosíntesis artificial y ayudarnos a entender cómo la luz se convierte en energía química a través de una cúmulo de reacciones orgánicas. También servir para crear un nuevo catalizador que nos traiga mejores fertilizantes que necesiten el empleo de menos energía durante su producción.

Todo esto podría pasar mucho antes de lo que nos imaginamos. Simmons afirma que el desarrollo de los ordenadores cuánticos sigue una trayectoria similar a la de los ordenadores clásicos. Se pasó del primer transistor en 1947 a un circuito integrado en 1958, y luego los chips pasaron a formar parte de calculadoras y otros dispositivos aproximadamente cinco años después.

“Ahora estamos reproduciendo esa hoja de ruta para los ordenadores cuánticos”, afirma la profesora Simmons. “Empezamos con un transistor de un solo átomo en 2012 y este último resultado, realizado en 2021, es el equivalente al circuito integrado cuántico a escala atómica, con dos años de antelación. Si lo relacionamos con la evolución de la computación clásica, prevemos que deberíamos tener algún tipo de resultado comercial de nuestra tecnología dentro de cinco años”.