En el mundo de la tecnología, la miniaturización ha sido clave para el avance de los dispositivos electrónicos. Sin embargo, alcanzar la precisión a nivel atómico ha representado un desafío monumental. Durante 25 años, científicos de todo el mundo intentaron, sin éxito, posicionar átomos individuales con la exactitud necesaria para fabricar computadoras cuánticas funcionales. Un reciente estudio de la University College London (UCL) ha logrado superar este obstáculo, marcando un hito en la computación cuántica.
El estudio, publicado en Advanced Materials, detalla cómo los investigadores lograron posicionar átomos de arsénico en una matriz de silicio con una precisión del 97%, un avance significativo hacia la construcción de computadoras cuánticas escalables y de bajo error. Este logro no solo representa la culminación de décadas de investigación, sino que también abre nuevas posibilidades en el diseño y fabricación de dispositivos cuánticos.
La importancia de la precisión atómica en la computación cuántica
La computación cuántica promete revolucionar diversos campos al resolver problemas que están más allá de las capacidades de las computadoras clásicas. Los qubits, o bits cuánticos, son la base de estas computadoras y pueden representarse mediante átomos individuales colocados en una matriz de silicio. La precisión en el posicionamiento de estos átomos es crucial, ya que cualquier desviación puede introducir errores significativos en los cálculos cuánticos.
Anteriormente, se utilizaba el fósforo como dopante para crear qubits en silicio, pero este método presentaba una tasa de éxito del 70% en la colocación precisa de los átomos, insuficiente para las necesidades de la computación cuántica. La comunidad científica consideraba que esta limitación era un obstáculo insuperable para la escalabilidad de los dispositivos cuánticos.
El papel del arsénico en la superación del desafío
Frente a las limitaciones del fósforo, los investigadores de la UCL exploraron el uso del arsénico como alternativa. Utilizando un microscopio de efecto túnel, lograron insertar átomos de arsénico en una matriz de silicio con una precisión sin precedentes. Este enfoque permitió la creación de una matriz 2×2 de átomos de arsénico, sentando las bases para la fabricación de qubits más fiables y eficientes.
Según el estudio, "los dopantes de arsénico individuales pueden colocarse de manera determinista dentro de cuatro sitios de la red de silicio y se incorporan con un rendimiento del 97 ± 2%". Este resultado demuestra que el arsénico es un material prometedor para la fabricación de qubits en silicio, superando las limitaciones previamente encontradas con el fósforo.
Desafíos y perspectivas futuras en la fabricación de computadoras cuánticas
A pesar de este avance significativo, aún existen desafíos en la fabricación de computadoras cuánticas escalables. Actualmente, el proceso desarrollado requiere la colocación manual de cada átomo, lo que es un procedimiento lento y laborioso. Para construir una computadora cuántica universal, será necesario automatizar e industrializar este proceso, permitiendo la creación de matrices con millones de qubits.
La industria de semiconductores de silicio, valorada en aproximadamente 550 mil millones de dólares, podría desempeñar un papel crucial en este desarrollo, ya que tanto el arsénico como el silicio son materiales comúnmente utilizados en la fabricación de semiconductores para la computación clásica. La compatibilidad del enfoque desarrollado con los procesos actuales de fabricación de semiconductores sugiere que, una vez superados los desafíos de ingeniería, podría integrarse de manera efectiva en la producción a gran escala.
Referencias
- Stock, T. J. Z., Warschkow, O., Constantinou, P. C., Bowler, D. R., Schofield, S. R., & Curson, N. J. (2024). Single‐Atom Control of Arsenic Incorporation in Silicon for High‐Yield Artificial Lattice Fabrication. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202312282.
