El Departamento de Energía de Estados Unidos anunció otro paso para asegurar el suministro interno de materias primas críticas.
A través de una colaboración entre el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), Estados Unidos ha desarrollado una tecnología pionera para producir silano (SiH4) y germen (GeH4) ultraenriquecidos con niveles extremadamente reducidos de isótopos contaminantes que causan ruido.
«Este avance tiene el potencial de mejorar la usabilidad de las computadoras cuánticas y permitirá a Estados Unidos convertirse en el líder indiscutible en la carrera de la tecnología cuántica», dijo el subsecretario de Ciencia del DOE, Dario Gil. «Esta es la carrera espacial de nuestra generación, y con este avance, no sólo estamos compitiendo, sino que estamos marcando el ritmo».
Materiales que apoyan la operatividad de las computadoras cuánticas
Estos nuevos materiales tienen al menos 100 veces menos ruido isotópico que cualquier material disponible comercialmente en el mundo.
Específicamente, las tecnologías ORNL y PNNL reducen la concentración de los isótopos de confinamiento Ge-73 y Si-29 a menos de 1 ppm para el germano y el silano, respectivamente. Además, la pureza del Si-28 alcanza el 99,9999% en silano.
Este hito es clave para mejorar la usabilidad y el tiempo de coherencia de las computadoras cuánticas, establecer una cadena de suministro nacional resiliente y apoyar directamente el lanzamiento de la misión Génesis, el objetivo de la Orden Ejecutiva de 2025.
«Durante muchos años, la promesa de la supercomputación cuántica se ha visto obstaculizada por el ruido sutil del mundo físico», afirmó el director del IRP, Christopher Landers.
«Hoy, silenciamos ese ruido. Al lograr una pureza isotópica nunca antes vista en la Tierra, estamos entregando personalmente las bases de la computadora cuántica más estable del mundo aquí en Estados Unidos. Esto no es sólo un paso incremental, sino la chispa que encenderá la próxima revolución tecnológica».
El primer gran avance en el desarrollo de isótopos en Estados Unidos en unos 30 años
Desde que el histórico Caltron de la Segunda Guerra Mundial fue eliminado gradualmente en 1998, Estados Unidos ha carecido de enriquecimiento interno de isótopos estables a gran escala. Al optimizar las tecnologías modernas de separación de isótopos electromagnéticos (EMIS) y separación de isótopos por difusión térmica (TDIS), IRP, ORNL y PNNL han desarrollado un sistema de enriquecimiento que supera drásticamente las capacidades tradicionales de la era de la Guerra Fría.
Aprovechar las tecnologías, capacidades y experiencia complementarias de los dos laboratorios nacionales del DOE es fundamental para producir los isótopos críticos necesarios para la computación cuántica.
Alimentando ORNL con EMIS
A la vanguardia de este resurgimiento en ORNL se encuentra la tecnología EMIS basada en la ciencia del plasma, que puede aislar y enriquecer simultáneamente múltiples isótopos de elementos individuales en una sola ejecución de producción. La tecnología EMIS es altamente adaptable en toda la tabla periódica con capacidades superiores de enriquecimiento en un solo paso. El sistema ORNL EMIS utiliza materiales de alimentación disponibles comercialmente para lograr una eliminación isotópica extremadamente alta de isótopos contaminantes. Por ejemplo, los productos de germanio de EMIS tienen niveles de Ge-73 muy por debajo de 1 ppm.
«Las inversiones en investigación y desarrollo durante la última década han optimizado cada vez más el rendimiento de estos dispositivos de vanguardia, haciendo que su versatilidad y precisión sean incomparables», dijo Alan Tatum, gerente de cartera de isótopos estables de ORNL.
«Con estas capacidades de ORNL y las capacidades complementarias de PNNL, IRP tiene la capacidad de suministrar silicio, germanio y otros isótopos de pureza isotópica y química sin precedentes en la forma física necesaria para la investigación cuántica», dijo el director del IRP, Landers.
Esta eficiencia sin precedentes permite a los investigadores recolectar y producir simultáneamente isótopos cuánticos críticos altamente enriquecidos como:
Silicio-28: Se utiliza para soportar entornos de semiconductores sin espín y tecnologías de próxima generación. Germanio-70/76: utilizado para computación cuántica Iterbio-171: utilizado para aplicaciones de memoria y computación cuántica de iones atrapados
Conversión, purificación y enriquecimiento de TDIS de PNNL
En PNNL, se han logrado avances en la transformación química y la purificación de materiales de relevancia cuántica enriquecidos isotópicamente. PNNL ha desarrollado un sistema de reacción de alta eficiencia y alta pureza que puede producir silano y gases relacionados a partir de materiales concentrados en otras formas químicas (por ejemplo, SiF4, GeF4, GeO2). Después de la conversión química, se aplica el sistema de purificación de última generación de PNNL para reducir los contaminantes no deseados en el silano y los relacionados a menos de 1 ppm. Estos gases son materias primas esenciales utilizadas en la industria de los semiconductores para depositar películas ultrafinas de silicio y germanio en chips informáticos avanzados y dispositivos cuánticos.
Bajo la dirección del IRP, PNNL desarrolló y comercializó recientemente varios sistemas TDIS automatizados modernizados que permiten el enriquecimiento isotópico directo de silano y gases relacionados. El enriquecimiento directo reduce en gran medida la posibilidad de dilución de isótopos debido a la contaminación.
«La dilución isotópica del silicio enriquecido es un problema difícil», afirmó Mike Powell, investigador principal del proyecto en PNNL. «Sin embargo, hemos diseñado cuidadosamente nuestros sistemas y procedimientos de manipulación para mantener la pureza isotópica de nuestros materiales de partida hasta el silano final y los productos relacionados».
PNNL ha desarrollado un sistema de control automatizado que monitorea cientos de variables de proceso para gestionar de forma segura los sistemas TDIS, purificación y conversión de silano y relacionados, basados en estrictos protocolos de seguridad. Las investigaciones en curso tienen como objetivo simplificar el proceso de fabricación, minimizar el riesgo de impurezas y garantizar un suministro estable y ultrapuro de materiales precursores que actualmente no están disponibles comercialmente.
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