El cómputo cuántico es aclamado por su potencial para abordar problemas que las computadoras de hoy en día no pueden manejar. Los científicos y las industrias están recurriendo al cómputo cuántico para acelerar los avances en campos como la química o el desarrollo de medicamentos, modelos financieros e incluso el pronóstico del clima.
Para ofrecer el potencial del cómputo cuántico, Intel inició un programa de investigación colaborativo en 2015, con el objetivo de desarrollar un sistema de cómputo cuántico comercialmente viable.
Aun cuando ha habido un avance considerable, la investigación del cómputo cuántico todavía se encuentra en estado naciente. La industria tiene un largo camino por recorrer, pues apenas está en el primer kilómetro del maratón, y para realizar este nuevo paradigma informático, deben resolverse muchos problemas y tomarse muchas decisiones arquitectónicas. Por ejemplo, aún no está claro la forma que adoptarán los procesadores cuánticos (o «qubits»). Es la razón por la cual Intel ha iniciado dos importantes proyectos de investigación y está invirtiendo en ambos por igual.
Uno, son los qubits superconductores. Intel está haciendo un rápido avance en el desarrollo de este tipo de chip de prueba, lo cual también persiguen otras empresas del sector y academia. Además, Intel está investigando una estructura alternativa, que aproveche la experiencia de clase mundial de la compañía en la fabricación de transistores de silicio. Esta arquitectura alterna se llama «spin qubits,» que funcionan en silicio y podrían ayudar a superar algunos de los obstáculos científicos para llevar el cómputo cuántico de la investigación a la realidad.
¿Qué es un spin qubit?
Los spin qubits son muy semejantes a la electrónica de los semiconductores y a los transistores, como los conocemos hoy. Transmiten su energía cuántica aprovechando el espín de un solo electrón en un dispositivo de silicio y controlando el movimiento con diminutos pulsos de microondas.
Los electrones pueden girar en diferentes direcciones. Cuando el electrón gira hacia arriba, los datos indican el valor binario 1. Cuando el electrón gira hacia abajo, los datos indican el valor binario 0. Pero, en forma semejante a cómo operan los qubits superconductores estos electrones también pueden existir en “superposición”, lo que significa que tienen la probabilidad de que un espín esté arriba y abajo al mismo tiempo y, al hacerlo, pueden procesar teóricamente enormes conjuntos de datos en paralelo, a mucha mayor velocidad que una computadora clásica.
¿Por qué hacer investigación sobre los spin qubits?
Uno de los retos que los investigadores deben superar antes de que el cómputo cuántico pueda convertirse en una realidad comercial, es la naturaleza increíblemente frágil de los qubits. Cualquier ruido u observación imprevista de ellos puede producir una pérdida de datos. Esta fragilidad exige que funcionen a temperaturas extremadamente bajas, lo cual plantea retos para el diseño material de los mismos chips y de la electrónica de control necesaria para hacerlos trabajar. Los qubits superconductores son bastante grandes y funcionan en sistemas del tamaño de tambores de 208 litros (55 galones), lo cual hace difícil que el diseño del sistema cuántico pueda aumentarse proporcionalmente a los millones de qubits necesarios para crear un sistema comercial verdaderamente útil.
Los spin qubits, en comparación con los superconductores, ofrecen algunas ventajas para abordar estos retos.
Son pequeños y fuertes: Los spin qubits son físicamente mucho más pequeños y se espera que su tiempo de enlace sea mayor – es una ventaja, ya que los investigadores se proponen escalar el sistema a los millones de qubits que necesitará un sistema comercial.
Pueden funcionar temperaturas más altas: Los spin qubits en silicio pueden funcionar a temperaturas más altas que los qubits superconductores (1 kelvin en contraste con 20 milikelvins). Lo anterior podría reducir enormemente la complejidad del sistema que se necesita para operar los chips, permitiendo la integración de la electrónica de control mucho más cerca del procesador. Intel y su socio de investigación académica, QuTech*, están explorando el funcionamiento a mayor temperatura de los spin qubits con resultados interesantes hasta de 1K (o 50 veces más elevada) que los qubits superconductores. El equipo planea compartir los resultados en la reunión de la American Physical Society (APS) (Sociedad Física Norteamericana) en marzo.
Conocimientos de fabricación de Intel: el diseño de los procesadores de spin qubit se asemeja mucho a las tecnologías tradicionales de transistores de silicio. Aun cuando todavía existen retos científicos y de ingeniería fundamentales para escalar esta tecnología, Intel cuenta con el equipo y la infraestructura de décadas al fabricar transistores a escala.
¿Cuál es el estado de la investigación de los spin qubits?
Esta semana, en la reunión anual de la American Association for the Advancement of Science (AAAS) (Asociación Norteamericana para el Avance de la Ciencia), QuTech, hará una presentación del éxito logrado en la creación de una computadora cuántica basada en un espín de dos qubits, que puede programarse para realizar dos algoritmos cuánticos simples. Este avance prepara el camino para procesadores basados en espín más grandes, capaces de aplicaciones más complejas.
Además, Intel inventó un flujo de fabricación de spin qubits en su tecnología de procesos de 300 mm, usando obleas isotópicamente puras, específicamente para la producción de chips de prueba de spin-qubits. Fabricados en las mismas instalaciones que las tecnologías de transistor avanzadas de Intel, la compañía ahora está probando las obleas iniciales. Intel espera producir en un par de meses muchas obleas por semana, cada una con miles de pequeñas matrices de qubits.
Intel y QuTech continuarán la investigación tanto de los qubits superconductores como de los spin qubits en todo el sistema cuántico – o «pila» – de los dispositivos de bits cuánticos a la arquitectura de hardware y software necesaria para controlar estos dispositivos, así como aplicaciones cuánticas. Todos estos elementos son esenciales para llevar la informática cuántica de la investigación a la realidad.
