- El equipo de investigación rastreó los cambios tridimensionales en la estructura interna del carburo de silicio.
- Las vacancias pueden comportarse como qubits, el componente básico de la computación cuántica.
- El equipo de Argonne construyó una cámara a nivel atómico para observar el movimiento atómico.
- El objetivo de la investigación es colocar con precisión qubits individuales en coordenadas específicas.
Los científicos han registrado los cambios que ocurren dentro de un cristal en el instante previo a la formación de un qubit. Un equipo de investigación del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. rastreó los cambios tridimensionales en la estructura del carburo de silicio. En el experimento utilizaron una de las fuentes de rayos X más potentes del mundo. Los resultados, publicados en la revista ACS Nano, permiten a los investigadores observar en tiempo real cómo la red atómica del material responde al impacto de un láser. La construcción de dispositivos cuánticos de estado sólido suele implicar causar daño intencionadamente. Los físicos disparan un pulso láser ultrarrápido contra la red cristalina. El destello dura apenas un instante y expulsa átomos individuales de su posición.
Los componentes básicos del qubit
Este proceso deja diminutos huecos conocidos como vacancias. «Estas vacancias no son defectos; pueden comportarse como qubits —los bloques fundamentales de la información cuántica—,» señala el Laboratorio Nacional Argonne. Los qubits se utilizan para almacenar y procesar información cuántica, por lo que son los componentes básicos de los ordenadores cuánticos, las redes de comunicación seguras y los sensores médicos avanzados.
Hasta ahora, el mecanismo físico exacto de este impacto láser seguía siendo un punto ciego. Los métodos tradicionales empleaban haces de iones o electrones, pero ofrecían un control limitado sobre la posición. El láser puede dirigirse a una ubicación concreta, pero los investigadores solo podían conjeturar cómo se desplazaba la energía dentro de la red. La creación de qubits era, en gran medida, un proceso de prueba y error. «Antes de poder diseñar con precisión un defecto cuántico, hay que entender exactamente qué hace el láser dentro del material», afirma Haidan Wen, científico del Laboratorio Nacional Argonne y coautor del artículo. «Esta tecnología nos permite ver cómo se desarrolla el proceso, especialmente el movimiento de los átomos de maneras que antes eran imposibles de observar».
Para resolver este problema, el equipo de Argonne construyó una cámara a escala atómica. Combinaron un láser ultrarrápido con la Fuente de Fotones Avanzada del laboratorio, capaz de generar haces de rayos X extremadamente brillantes. El equipo enfocó el haz a unos cientos de nanómetros, aproximadamente la centésima parte del grosor de un cabello humano.
Observación de los cambios en las ondas de choque atómicas
Los rayos X duros pueden atravesar directamente el cristal. Gracias a esta penetración, los pulsos registran la actividad en el interior de la muestra, no solo en su superficie. El láser golpea el material y un destello de rayos X sincronizado captura la reacción instantánea posterior. Las imágenes muestran dos reacciones físicas distintas que ocurren en paralelo. Parte de la energía atraviesa el cristal en forma de ondas de choque ordenadas. Esta onda se propaga como las ondas que se expanden sobre una superficie de goma golpeada. Al mismo tiempo, el resto de la energía se difunde más lentamente en forma de calor. Este pulso térmico hace que los átomos cercanos vibren aleatoriamente antes de que la red se estabilice de nuevo.
El carburo de silicio ya es una piedra angular de la industria de chips informáticos comerciales. Las fábricas ya saben cómo producirlo a gran escala. Por ello, el material es ampliamente considerado el mejor candidato para la fabricación masiva de hardware cuántico.
Los ingenieros esperan que estos datos reduzcan la necesidad de ensayo y error. Al mapear esta transferencia de energía, los investigadores aspiran a poder colocar finalmente qubits individuales en coordenadas específicas bajo demanda. El equipo planea ahora probar su método de imagen en otros materiales cuánticos, acercando los prototipos de laboratorio a la línea de montaje de fábrica.
El potencial de desarrollo futuro de la computación cuántica
Esta investigación revela los mecanismos físicos clave en el proceso de formación de qubits, en particular la influencia del láser sobre el movimiento atómico dentro del cristal. Gracias a la observación en tiempo real, los científicos pueden comprender en profundidad cómo se transfiere la energía en la red, lo cual es crucial para el desarrollo de ordenadores cuánticos. Si el carburo de silicio, piedra angular de los chips comerciales, logra aplicarse con éxito al hardware cuántico, impulsará enormemente la comercialización de la tecnología cuántica. Estos avances no solo mejorarán la eficiencia de la computación cuántica, sino que también podrían fomentar comunicaciones más seguras y aplicaciones médicas avanzadas.