La investigación de materiales cuánticos de Luxemburgo desarrolla chips cuánticos, lo que podría revolucionar las computadoras cuánticas y las computadoras cuánticas.
Florian Kaiser, jefe del Grupo de Investigación de Materiales Quantos en Luxemburgo, ha investigado una estrategia de investigación dedicada para chips cuánticos escalables basados en la tecnología de semiconductores estándar. Este ambicioso programa está dirigido al desarrollo del «sistema cuántico en chip». Esto permite un mayor rendimiento al tiempo que ofrece un potencial de producción rentable en las fundiciones de semiconductores.
La promesa de la tecnología cuántica
Al aprovechar y controlar las propiedades complejas de la mecánica cuántica, es posible liberar nuevas tecnologías digitales que puedan extenderse mucho más allá de los estándares actuales.
Las computadoras cuánticas pueden resolver problemas matemáticos complejos que las máquinas clásicas son difíciles de usar. Los simuladores cuánticos lo ayudan a descubrir nuevos materiales inteligentes y eficientes para permitir una sociedad sostenible. Los sensores cuánticos pueden lograr una sensibilidad incomparable de las investigaciones a escala mínima (nano-MRI) a la escala máxima (detección de onda gravitacional). Quantum Communication también permite Internet completamente seguro, incluidos los servicios de Quantum Cloud.
Problemas en tecnología cuántica
Esencialmente, todos estos pilares de tecnología cuántica ya demuestran su potencial y capacidades. Los nuevos avances se informan diariamente a nivel académico y de inicio.
Dos de los mayores obstáculos para mover la tecnología cuántica al mercado son:
En particular, expande el número de qubits combinados con memoria cuántica superior, excediendo las tareas de procesamiento cuántico. Utilizando materiales no exóticos, reduce los costos de los sistemas cuánticos y los beneficios de las líneas de producción clásicas establecidas.
Un plan para la tecnología cuántica más allá del estado actual
Los problemas con la tecnología cuántica en los estados actuales pueden sonar familiares. Las computadoras clásicas de primera generación de fines de la década de 1930 se basaron en cientos a miles de tubos de vacío, que no eran confiables, requerían mantenimiento permanente y consumieron cientos de kilovatios de energía. Las posibilidades en el mercado de consumo eran claramente muy escasas. A fines de la década de 1960, esto cambió por completo. El aumento de los microchips de semiconductores integrados allanó el camino para la tecnología digital en las últimas décadas, ya que se establecieron nuevos estándares en términos de rentabilidad, número de transistores en procesadores, consumo de energía y confiabilidad. La última tendencia en todos los principales productores (AMD, Apple, Intel, Qualcomm, Samsung) es minimizar los efectos del ruido y la pérdida de señal mediante la integración de procesadores y módulos de memoria en el mismo sistema monolítico en chip.
Visión futura de la tecnología cuántica
Los avances recientes en la tecnología cuántica han demostrado ser factibles para desarrollar plataformas escalables basadas en el sistema cuántico monolítico en el chip, según el Dr. Florian Kaiser, líder grupal del equipo de materiales cuánticos en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo (Lista).
El núcleo de esta tecnología es el giro ópticamente activo de los cristales de semiconductores (qubits basados en lo que se llama «centros de color»). Los centros de color se basan en pequeños defectos o impurezas atómicamente dentro de los cristales del huésped completos, lo que resulta en sistemas con propiedades cuánticas como átomos individuales. Los fotones emitidos por los centros de color actúan como autobuses de comunicación fotónica para transferir información cuántica entre múltiples centros de color y para la información de enrutamiento dentro de Internet cuántico. Los giros electrónicos del centro de color actúan como un gran bus para el procesamiento cuántico y la memoria. El control preciso de los giros de electrones permite el funcionamiento de los qubits nucleares altamente coherentes cerca del centro de color, que forman parte de los mejores sistemas de procesamiento cuántico y de memoria de hoy.
En los últimos 20 años, se han llevado a cabo experimentos espectaculares en los centros de color de diamantes, pero la escalabilidad ha sido impuesta por la disponibilidad limitada de diamantes y la falta de grandes instalaciones de fabricación de diamantes. Por lo tanto, el trabajo reciente se ha centrado en reemplazar los diamantes con materiales que son más compatibles con la industria.
Silicon Carbide: una plataforma de semiconductores prometedor para la tecnología cuántica
Hace aproximadamente una década, los investigadores comenzaron a investigar los centros de color del carburo de silicio, un semiconductor de alta potencia líder en la industria. Varios estudios han demostrado que los pequeños procesadores cuánticos y la memoria cuántica basadas en el centro de color del carburo de silicio pueden competir directamente con las contrapartes de los diamantes. Además, el primer intento de microintegración en chips cuántico fotónico fue prometedor.
El siguiente paso natural en la investigación en los próximos años es maximizar tanto la reproducibilidad de los centros de color cuántico de alto rendimiento como el diseño de chips cuánticos fotónicos integrados.
«Para mejorar la reproducibilidad de un centro de color, todos los pasos deben optimizarse a lo largo de la línea de producción», dijo el Dr. Kaiser. «En pocas palabras, esto requiere minimizar el daño cristalino no deseado al crear centros de color en materiales o grabar nanoestructuras fotónicas necesarias en habitaciones limpias».
Para acelerar esta investigación, el equipo estableció recientemente una plataforma de caracterización de centro de color cuántico de alto rendimiento. Esto maximiza el espacio de parámetros que se puede estudiar dentro de una cantidad razonable de tiempo.
La visión de los chips cuánticos fotónicos altamente reproducibles requiere el uso de la nanofabricación profesional en las fundiciones de semiconductores establecidos.
El equipo del Dr. Kaiser abordará ambos desafíos, incluidos varios fondos clave de proyectos del gobierno de Luxemburgo (estimado 4,5 millones de euros) y el Consejo Europeo de Investigación (estimado 3 millones de euros).
El Dr. Kaiser agregó: «Lo que hace que el carburo de silicio sea único, entre otras plataformas de tecnología cuántica prometedores, es que es un semiconductor industrial establecido. Esto nos permitió usar dispositivos electrónicos estándar que pueden suprimir el ruido de carga alrededor del centro de color. Tan pronto como llegamos a un punto de inflexión».
Aplicaciones prácticas para los próximos años
El desarrollo natural de la implementación de la tecnología cuántica basada en el centro de color del carburo de silicio será la Internet cuántica. Puede configurar un nodo de repetidor cuántico utilizando una excelente memoria cuántica asociada con el centro de color de carburo de silicio. Este es el único enfoque conocido para las redes de comunicación cuántica de largo alcance y completamente seguras.
Este artículo también se presentará en la 22ª edición de trimestralmente Publicación.
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