Un descubrimiento innovador en la investigación del grafeno ha revelado una nueva clase de estados cuánticos en una estructura diseñada con precisión. Científicos de la Universidad de Columbia Británica (UBC), la Universidad de Washington y la Universidad Johns Hopkins han identificado cristales electrónicos topológicos en un sistema de grafeno retorcido de dos y tres capas. La estructura se creó apilando capas de grafeno 2D con un ligero giro rotacional, lo que provocó cambios transformadores en las propiedades electrónicas.
Descubrimiento y metodología
Según un estudio publicado En la naturaleza, el sistema utiliza un patrón muaré que se forma cuando dos capas de grafeno se alinean en un pequeño ángulo de rotación. Este patrón cambia la forma en que se mueven los electrones, ralentizándolos e introduciendo comportamientos únicos. Los electrones en esta configuración retorcida exhiben un movimiento similar a un vórtice, revolucionando la comprensión de las propiedades eléctricas del grafeno. El profesor Joshua Falk, asociado con el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Columbia Británica y el Instituto Blosson de Materia Cuántica, Explicado a phys.org El efecto de interferencia geométrica permite que los electrones se congelen en una matriz ordenada mientras mantienen un movimiento de rotación sincrónico. Este comportamiento único permite que la corriente eléctrica fluya a lo largo de los bordes de la muestra mientras el interior permanece no conductor.
Observaciones e implicaciones clave
Según los informes, Ruiheng Su, investigador universitario de la Universidad de Columbia Británica, observó este fenómeno durante experimentos con una muestra de grafeno retorcido preparada por el Dr. Dassin Waters de la Universidad de Washington. La matriz cerrada y giratoria de electrones exhibía una combinación paradójica de inmovilidad y conductividad, una propiedad atribuida a la topología.
El profesor Matthew Yankowitz de la Universidad de Washington explicó a phs.org que las corrientes de borde están determinadas por constantes fundamentales y no se ven afectadas por perturbaciones externas. Esta flexibilidad proviene de la topología del sistema, que es similar a una cinta de Möbius, donde la deformación no cambia las propiedades intrínsecas.
Aplicaciones en información cuántica
Se espera que este descubrimiento abra caminos para el progreso en los sistemas de información cuánticos. El acoplamiento de cristales electrónicos topológicos con superconductividad podría permitir la creación de potentes qubits, allanando el camino para la computación cuántica topológica. Los investigadores esperan que este desarrollo mejore significativamente el campo de las tecnologías cuánticas.
La teoría cuántica ayudó a explicar cómo los niveles de energía de un átomo se dividen en un campo magnético, un fenómeno conocido como efecto Zeeman.Crédito: Harsh Vardhan Diwanjan/Shutterstock
Es raro que una idea o teoría científica cambie fundamentalmente nuestra visión de la realidad. Uno de estos momentos revolucionarios se celebra en el año 2025, declarado por las Naciones Unidas Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas. Esto marca el centenario de la mecánica cuántica, que comenzó con una oleada de investigaciones hace 100 años. Así como sería imposible entender la biología moderna sin la teoría de la evolución de Charles Darwin, nuestra comprensión básica del mundo físico ahora tiene sus raíces en principios cuánticos. La física moderna es física cuántica.
Lo cuántico se refiere a la forma en que la materia absorbe o libera energía: en paquetes discretos o cuantos. Su uso en física proviene de la palabra alemana CantidadProviene de un término latino que significa “cuánto”. Alrededor de 1900, físicos como Max Planck y Albert Einstein comenzaron a describir, de manera ad hoc, por qué muchos fenómenos del mundo subatómico no podían explicarse utilizando la mecánica clásica desarrollada por Isaac Newton y otros unos dos siglos antes. Luego, en 1925, se utilizó la cuántica para describir los fundamentos de una forma completamente nueva de mecánica: la rama de la física que describe la relación entre las fuerzas y el movimiento de los cuerpos físicos.
Cómo surgió la mecánica cuántica en unos meses revolucionarios hace 100 años
Como describe el historiador de la ciencia Christian Camilleri en su artículo Un artículo sobre los sorprendentes acontecimientos de ese año. A continuación, el físico Werner Heisenberg viajó a la isla alemana de Heligoland en el Mar del Norte en el verano de 1925 en busca de alivio para una grave fiebre del heno. Poco después presentó a la revista Revista de Física Un artículo cuyo título se traduce como “Sobre la reinterpretación teórica cuantitativa de las relaciones cinéticas y mecánicas” (W. Heisenberg Z. Física33879-893; 1925). Esto llevó a que Heisenberg y sus colaboradores más cercanos realizaran más estudios en los meses siguientes, así como a un trabajo con un enfoque alternativo de Erwin Schrödinger.
La revolución no comenzó cuando los físicos descartaron las leyes de la mecánica clásica, sino con su reinterpretación radical de conceptos clásicos como energía y momento. Sin embargo, requirió que sus iniciadores abandonaran ideas lógicas comunes; por ejemplo, la expectativa de que los objetos subatómicos, como las partículas, tuvieran una posición y un impulso bien definidos en un momento dado. En cambio, los físicos descubrieron que los fenómenos naturales tienen una naturaleza inherentemente desconocida. En otras palabras, la física clásica es sólo una representación aproximada de la realidad, y sólo se manifiesta a nivel macroscópico. Un siglo después, esta comprensión de la naturaleza del mundo material sigue siendo apasionante y seductora a partes iguales. mucho naturaleza Los lectores aprenderán sobre los dilemas filosóficos que plantean los gatos cuánticos que están vivos y muertos, y sobre la industria que… Creciendo en torno a la computación cuántica.
Otros aprenderán cómo las ideas cuánticas llevaron a los láseres que transmiten información a través de cables de Internet y a los transistores que proporcionan la potencia de procesamiento de los chips electrónicos. Pero las ideas cuánticas también moldean nuestra comprensión de la naturaleza, en todos los niveles, explicando por qué los objetos sólidos no colapsan y cómo las estrellas brillan y finalmente mueren.
año cuántico
Se están planificando eventos conmemorativos en todo el mundo durante los próximos 12 meses. incluye Ceremonia de apertura de las Naciones Unidas En la sede de la organización científica de las Naciones Unidas UNESCO en París en febrero; Eventos especiales en A Reunión de la Sociedad Americana de Física en Anaheim, California, en marzo; y un Taller de físicos en Heligoland En junio. La ambición colectiva de los organizadores es celebrar no sólo el centenario de la mecánica cuántica, sino también las ciencias y aplicaciones que han surgido de ella en el último siglo, y explorar cómo la física cuántica podría generar más cambios en el próximo siglo.
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En mayo, Ghana, el país que originalmente propuso que las Naciones Unidas declararan 2025 como el Año de la Ciencia Cuántica, acogerá en Kumasi una conferencia internacional sobre el tema. En agosto, historiadores de la ciencia se reunirán para celebrar el siglo cuántico en Salvador de Bahía, Brasil.
Esta reunión será la culminación de una programa de investigación de 20 años El cual se propuso reconsiderar el desarrollo de la teoría cuántica. Uno de los principales objetivos de este trabajo es demostrar las contribuciones de un grupo de académicos, muchos de los cuales (especialmente mujeres) no han sido reconocidos en la historia de este campo, dice el historiador Michel Janssen de la Universidad de Minnesota en Minneapolis.
Estas “figuras ocultas” incluyen a Lucy Mensing, que era miembro del mismo grupo en el que Heisenberg ideó algunas de las primeras aplicaciones de su teoría de la mecánica cuántica, dice Daniela Monaldi, historiadora de la Universidad de York en Toronto, Canadá. Uno de los platos fuertes de este año será la publicación de un volumen de ensayos biográficos sobre 16 de ellos, Mujeres en la historia de la física cuántica.
Los físicos alemanes Otto Stern (en la foto) y Walter Gerlach demostraron el espín cuántico en el famoso experimento de Stern-Gerlach de 1922.Fuente: Archivo Visual AIP Emilio Segrè, Colección Segrè
A pesar de todo lo que la revolución cuántica ya ha traído, todavía tiene asuntos pendientes. En los años en que los investigadores estaban sentando las bases de la mecánica cuántica, también comenzaron a reconstruir otras ramas de la física, como el estudio del electromagnetismo y los estados de la materia, a partir de fundamentos cuánticos. También intentaron ampliar sus teorías para incluir objetos que se movían a una velocidad cercana a la de la luz, algo que la teoría cuántica original no hacía. Estos esfuerzos ampliaron enormemente el alcance de la ciencia cuántica y llevaron a los investigadores a desarrollar el Modelo Estándar de partículas y campos, un proceso que finalmente llegó a buen término en la década de 1970.
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El modelo estándar ha tenido un éxito increíble y culminó en 2012 con el descubrimiento de su partícula fundamental, el bosón de Higgs. Pero estas extensiones se basan en una base teórica menos sólida que la mecánica cuántica y dejan muchos fenómenos sin explicación, como la naturaleza de la “materia oscura” que parece pesar mucho más que la materia convencional visible en el universo en general. Además, un fenómeno importante, la gravedad, todavía se resiste a ser cuantificado.
Otros problemas conceptuales de la física cuántica siguen abiertos. En particular, los investigadores están luchando por comprender exactamente qué sucede cuando los experimentos “combinan” las misteriosas probabilidades de los objetos cuánticos en una única medición precisa, un paso clave en la creación del mundo microscópico (y todavía implacablemente clásico) en el que vivimos. Se han desarrollado métodos para transformar estas peculiaridades de la realidad cuántica en tecnologías útiles. Las aplicaciones resultantes en informática, comunicaciones e instrumentos científicos innovadores de alta seguridad están todavía en sus primeras etapas.
La teoría cuántica sigue dando resultados Este año es una oportunidad para celebrar y educar al público en general sobre el papel que desempeña la física cuántica en sus vidas y para inspirar a las generaciones futuras, sean quienes sean y estén donde estén en el mundo, a contribuir a otro siglo cuántico. .
En julio de 1925, un físico alemán de 23 años presentó un artículo1 a la revista Revista de física Titulado “Sobre una reinterpretación teórica cuantitativa de las relaciones cinemáticas y mecánicas”. Podría decirse que la publicación del artículo de Werner Heisenberg fue el momento que marcó el comienzo de la era moderna de la mecánica cuántica, lo que condujo a una revolución asombrosa en nuestra comprensión fundamental de la física que ha tenido repercusiones hasta el día de hoy. Las Naciones Unidas han declarado 2025 como el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas, en gran parte debido a acontecimientos que comenzaron a desarrollarse a una velocidad asombrosa hace 100 años.
El artículo de Heisenberg fue un intento audaz de encontrar una salida a las dificultades que han plagado los intentos de interpretar los espectros atómicos: las frecuencias y amplitudes de la luz emitida y absorbida por los átomos. El tema de su controversia fue el modelo atómico de Bohr-Sommerfeld, que lleva el nombre de los físicos Niels Bohr y Arnold Sommerfeld, quienes desarrollaron el modelo en la década de 1910. Este modelo fue fundamental para lo que se conoció como la antigua teoría cuántica, que fue en sí misma un producto de la comprensión a principios del siglo XX de que los principios de la física clásica eran insuficientes para explicar las observaciones de los fenómenos subatómicos. Sin embargo, esta brecha puede llenarse suponiendo, de manera ad hoc, que la energía viene en paquetes discretos: cantidades.
La mecánica cuántica 100 años después: una revolución incompleta
Suponiendo que los electrones se mueven en órbitas elípticas alrededor del núcleo atómico, sujeto a ciertas condiciones de cuantificación, el modelo de Bohr-Sommerfeld proporcionó un conjunto de reglas para elegir ciertas órbitas “permitidas” del sistema clásico (en el caso del átomo de hidrógeno, un electrón orbitando un protón), y proporciona valores calculados que corresponden al espectro de energía observado. El modelo explica con éxito el espectro del átomo de hidrógeno, que consta de un solo protón y un electrón, y la división de las líneas espectrales en presencia de un campo eléctrico aplicado (efecto Stark) o un campo magnético (efecto Zeeman ordinario). Pero se enfrentó a una serie de problemas al tratar con moléculas de hidrógeno y con átomos que contienen más de un electrón.
Este fue un problema que Heisenberg expuso cuando ingresó al Instituto de Física Teórica de la Universidad de Göttingen, Alemania, en 1923, como asistente del teórico Max Born. Él y Born realizaron una serie de cálculos detallados del espectro del átomo de helio, utilizando todos los orbitales permitidos por el modelo de Bohr-Sommerfeld, pero sus resultados no coincidieron con las observaciones experimentales. Sus sospechas iniciales de que el problema residía en los métodos de cálculo pronto dieron paso a dudas más fundamentales. “Es cada vez más probable”, escribió Bourne.2“No sólo serán necesarias nuevas suposiciones sobre las hipótesis físicas, sino que todo el sistema de conceptos en física debe reconstruirse desde cero”. En una carta a su antiguo mentor Sommerfeld, en diciembre de 1923, Heisenberg señaló que “ninguna de las representaciones de los modelos tiene un significado real. Las órbitas no son reales ni en frecuencia ni en energía.
Heisenberg no fue el único que expresó esta duda. Su amigo y corresponsal frecuente Wolfgang Pauli también estaba cada vez más convencido de que la idea de que los electrones se movieran en órbitas era insostenible, y le dijo a Sommerfeld en diciembre de 1924: “Hablamos un lenguaje inadecuado para describir la simplicidad y la belleza del mundo cuántico”. Sin embargo, no estaba claro cómo proceder sin modelos orbitales. A finales de abril de 1925, Heisenberg escribió que en “el estado actual de la teoría cuántica, uno debe confiar en imágenes simbólicas, parecidas a modelos, basadas más o menos en el comportamiento mecánico de los electrones en la teoría clásica”.3.
Unos meses más tarde, cuando Heisenberg buscaba alivio para un ataque de fiebre del heno en la isla alemana de Heligoland, en el Mar del Norte, sentó las bases de un enfoque más radical. En lugar de construir un modelo atómico basado en la idea de que los electrones se mueven a lo largo de órbitas bien definidas de una manera casi clásica, Heisenberg decidió desarrollar una teoría innovadora del movimiento, la “mecánica cuántica”, en la que los electrones ya no podían considerarse partículas. Que se mueven por caminos continuos. El 9 de julio le escribió a Pauli: “Todos mis miserables esfuerzos están dedicados a acabar por completo con el concepto de órbitas, que en cualquier caso no pueden observarse”. Esta fue la ruptura decisiva con la mecánica clásica.
Werner Heisenberg, fotografiado en 1925.Crédito: Corbis vía Getty
en su periódico1que se presentó unas semanas después, se propuso “establecer una base para la mecánica cuántica teórica basada exclusivamente en las relaciones entre cantidades observables en principio”. Heisenberg formuló la ecuación de movimiento del electrón basándose en la ecuación de movimiento clásica del sistema periódico. En lugar de cantidades como la posición y el momento, esta teoría incluía conjuntos complejos de energías observables y amplitudes de transición (las probabilidades de que los átomos pasen de un estado cuántico a otro).
Esta fue una estrategia nacida de la desesperación más que de una convicción filosófica. Como explicó Heisenberg en la introducción del artículo, a la luz de las complejidades que implica tratar con átomos con múltiples electrones, “parece razonable abandonar toda esperanza de observar cantidades hasta ahora no observables, como la posición y el espín del electrón”.
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Sin embargo, era difícil ver cómo la eliminación de cantidades no observables podría guiar el desarrollo posterior de la teoría. Antes de que una teoría pueda describir fenómenos como las colisiones y el movimiento de partículas libres, debe incluir otras cantidades además de las energías y las amplitudes de transición. Más allá de eso, ni siquiera estaba claro qué cantidades deberían considerarse no observables. Por ejemplo, la posición del electrón fue reconocida nuevamente como observable en 1927. Como reflexionó Born décadas después, la idea de descartar cantidades no observables parecía bastante plausible en 1925, pero en la práctica tal “formulación general” Las vagas son completamente inútil, incluso engañosa”.
Las consideraciones prácticas son el núcleo de la física de Heisenberg. A menudo jugaba con todo tipo de ideas hasta que encontraba una que funcionara, un enfoque muy adecuado para un período de tal agitación conceptual. Los principios filosóficos normalmente se han utilizado como una forma de sortear un punto muerto, o como último recurso, y pueden descartarse cuando ya no son útiles. Como observó más tarde Born, el verdadero valor de los principios filosóficos para el físico en activo puede juzgarse “sólo de acuerdo con su utilidad relativa para lograr resultados”.
¿Matrices u ondas?
Heisenberg insistió en que sólo “una investigación matemática más intensa” revelaría si el método que utilizó en su artículo de julio “puede considerarse satisfactorio”. Esto lo hicieron Born y Pasquale Jordaens en Göttingen en los meses siguientes. Después de darse cuenta de que las cantidades que aparecían en las ecuaciones de Heisenberg podían representarse como matrices (una forma de matemática desconocida para la mayoría de los físicos de la época), reformularon la teoría en estos términos. Su innovadora “mecánica matricial” se ha expuesto en un extenso artículo de investigación.4conocido como Tres hombres trabajaron (Artículo de tres personas) presentado por Born, Heisenberg y Jordan en noviembre de 1925.
Pero este modelo tuvo un precio. Como explican los autores, la nueva teoría tiene “la desventaja de que no es directamente susceptible de una explicación geométricamente concebible, ya que el movimiento de los electrones no puede describirse en términos de conceptos familiares de espacio y tiempo”. Si bien Born y Jordan disfrutaron de esta idea abstracta, Heisenberg no pudo evitar preguntarse en una carta a Pauli en junio de 1925 “qué significan realmente las ecuaciones de movimiento”. Las cuentas exitosas de Pauli5 La exploración del espectro del átomo de hidrógeno utilizando el esquema en diciembre de ese año fue ampliamente vista como una reivindicación de este esfuerzo. Pero a la mayoría de los físicos les resultó difícil aceptar las matemáticas arcanas. Fue un alivio que sólo unos meses después, en la primera mitad de 1926, surgiera un enfoque completamente diferente.
Esto se produjo en forma de una serie de artículos pioneros. Anales de la física Publicado por Erwin Schrödinger6– Trabaja en la Universidad de Zurich, Suiza. La idea de que los movimientos de los electrones en el espacio y el tiempo no podían describirse era, para Schrödinger, una abdicación de la responsabilidad del físico y equivalía a abandonar toda esperanza de comprender el funcionamiento interno del átomo. Schrodinger confirmó que tal entendimiento era posible. En una nota a pie de página de uno de sus artículos, admitió que era “contrario” al enfoque de Göttingen sobre la mecánica cuántica y, en cambio, formuló una ecuación de onda que le permitió calcular los estados energéticos del átomo de hidrógeno. Para Schrödinger, esto promete una comprensión más intuitiva de los estados cuánticos como un “proceso de vibración en el átomo”. En lugar de pensar en los electrones como partículas que se mueven en órbitas, propuso que podrían considerarse ondas, con una distribución continua de carga eléctrica en el espacio tridimensional.
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Heisenberg no estaba dispuesto a aceptar nada de eso. Después de asistir a un simposio en Munich, Alemania, donde Schrödinger presentó su teoría, Heisenberg se quejó ante Pauli de que la teoría ondulatoria no podía explicar una serie de fenómenos cuánticos, incluido el efecto fotoeléctrico (la emisión de electrones desde una superficie metálica cuando se ilumina) y el sistema de Stern. -Efecto Gerlach, donde descubrió que un haz de átomos se desvía de una de dos maneras cuando pasa a través de un campo magnético que varía espacialmente. Además, describir un sistema multipartícula requiere una función de onda en un espacio multidimensional abstracto. La función de onda era sin duda una herramienta computacional útil, pero no parecía describir nada parecido a una onda real. “Incluso si se pudiera desarrollar una teoría ondulatoria consistente de la materia en el espacio tridimensional ordinario”, escribió Heisenberg en junio de 1926, “no produciría una descripción completa de los procesos atómicos en términos de nuestros conceptos familiares de espacio-tiempo”.7.
Un nuevo estudio realizado por físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts tecnología (MIT) y colaboradores para medir la geometría cuántica de electrones en sólidos. La investigación proporciona información sobre la forma y el comportamiento de electrones Dentro de materiales cristalinos a nivel cuántico. Según el estudio, la ingeniería cuántica, que antes se limitaba a predicciones teóricas, se ha observado directamente, lo que ha permitido formas sin precedentes de manipular las propiedades de los materiales cuánticos.
Nuevos caminos para la investigación de materiales cuánticos
el el estudia Fue publicado en Nature Physics el 25 de noviembre. Según lo descrito por Ricardo Comin, profesor asociado de desarrollo profesional, promoción de 1947 Física En el MIT, el logro es un avance importante en la ciencia de materiales cuánticos. En una entrevista con el Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT, Comin destacó que su equipo ha desarrollado un plan para obtener información completamente nueva sobre sistemas cuánticos. La metodología utilizada puede aplicarse a una amplia gama de Cantidad Materiales más allá de los probados en este estudio.
Las innovaciones técnicas permiten la medición directa
el investigación Los investigadores utilizaron espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES), una técnica que Komin y sus colegas habían utilizado anteriormente para examinar propiedades cuánticas. El equipo modificó ARPES para medir directamente la geometría cuántica en un material conocido como metal kagome, que tiene una estructura reticular con propiedades electrónicas únicas. Esta medición fue posible gracias a la colaboración entre experimentalistas y teóricos de múltiples instituciones, incluida Corea del Sur, durante la pandemia, señaló Minju Kang, primer autor del artículo y becario postdoctoral Kavli en la Universidad de Cornell.
Estos experimentos confirman los esfuerzos colaborativos y beneficiosos realizados para lograr este logro científico. Este avance ofrece nuevas posibilidades para comprender el comportamiento cuántico de los materiales, allanando el camino para innovaciones en informática, electrónica y tecnologías magnéticas, como informa la revista Nature Physics.
La tecnología cuántica es el siguiente paso lógico en la evolución de la informática y definirá una nueva era en la tecnología de la misma manera que la inteligencia artificial ha definido el presente.
Muchos de los problemas actuales que tomarían miles de horas resolver usando computadoras tradicionales probablemente se resolverán en cuestión de horas en la próxima década.
IBM, responsable de la invención de la unidad de disco duro y la memoria dinámica de acceso aleatorio, busca ser pionera en el futuro de la computación cuántica y ha invitado a TechRadar Pro a Suiza para obtener más información.
¿Qué pasa ahora?
IBM ya ha identificado una serie de sectores críticos donde la computación cuántica podría tener profundos beneficios. IBM Quantum Network es una de las redes más grandes del mundo, con más de 250 miembros, más de 600.000 usuarios, más de 3.000 artículos publicados y más de 10 computadoras cuánticas utilizadas para la investigación y la innovación en ciencia de materiales, atención médica y alta -física de la energía. Y más.
En el sector de la salud, IBM ha contribuido a la investigación con sus socios que ha identificado la aplicación potencial del uso de la computación cuántica para desarrollar… Terapias centradas en células Capaz de comprender cómo interactúan y se comportan las células individuales con las células enfermas y los fármacos, lo que permite el desarrollo de nuevas técnicas de inmunoterapia altamente específicas.
Además, introducir múltiples variables al simular con grandes conjuntos de datos es a menudo algo que reduciría a un ordenador convencional a un paso de tortuga, especialmente cuando se simulan los efectos del cambio climático o los daños a los ecosistemas. Sin embargo, Curione cree que la cantidad será clave para “mejorar nuestra forma de vida manteniendo la sostenibilidad”.
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Corione también señala que “la intersección de sinergias entre la computación cuántica y el aprendizaje automático” tendrá profundos beneficios a la hora de recopilar representaciones correctas a partir de grandes cantidades de datos, “haciendo posibles problemas que antes eran imposibles”.
(Crédito de la imagen: Futuro – Benedict Collins)
¿Qué sigue?
“En el futuro, estos días serán recordados como los días que cambiaron la informática y el mundo”, es el mensaje de Corione. La hoja de ruta de IBM predice que no veremos todos los beneficios de la computación cuántica hasta después de 2033, pero eso no significa que no se hayan logrado ya avances.
IBM ha estado desarrollando varias innovaciones tanto en las tecnologías de hardware como de software involucradas en la computación cuántica para mantenerse al día con su hoja de ruta predictiva, y Corione dijo: “2026 será el año en que podremos demostrar la ventaja cuántica”, e IBM espera Ofrecer un sistema cuántico totalmente corregido de errores para 2029, antes de la transición de época en 2030.
A finales de 2023, IBM presentó Quantum System Two, una arquitectura modular que permite una supercomputación escalable centrada en lo cuántico. Esta arquitectura integra híbridos. Computación en la nube El servicio se realiza entre el usuario y los dispositivos, lo que permite al usuario ejecutar flujos de trabajo cuantitativos y clásicos simultáneamente.
Si bien las computadoras clásicas son muy eficientes multiplicando dos números, tienen dificultades para factorizar, que es exactamente en lo que destacan las computadoras cuánticas. Por lo tanto, estos sistemas permitirán que cargas de trabajo, simulaciones y conjuntos de datos altamente complejos se ejecuten de manera más eficiente, ahorrando energía y recursos y también mejorando productividad.
Las ventajas de Quantum en el análisis ya han hecho que muchos métodos de cifrado existentes queden obsoletos, y ahora grupos patrocinados por el estado y actores con motivación financiera roban datos confidenciales cifrados, con la esperanza de descifrarlos una vez que la computación cuántica se vuelva comercialmente viable. Por esta razón, IBM desarrolló los primeros estándares de criptografía cuántica utilizados por el NIST Para protegerse contra la cosecha ahora y descifrar ataques posteriores.
El MIT crea transistores a nanoescala para electrónica eficiente
El túnel cuántico proporciona bajo voltaje y alto rendimiento
Esta tecnología tiene el potencial de reemplazar la silicona.
Investigadores del MIT han desarrollado un transistor a nanoescala que podría allanar el camino hacia una electrónica más eficiente que los dispositivos basados en silicio.
Los transistores de silicio convencionales, que son cruciales para la mayoría de los dispositivos electrónicos, enfrentan una limitación física conocida como tiranía de Boltzmann, que les impide operar por debajo de un cierto voltaje.
Esta limitación limita la eficiencia energética, especialmente a medida que las aplicaciones modernas, como la inteligencia artificial, avanzan hacia cálculos más rápidos y potentes.
Heteroestructuras de nanocables
Para abordar estas limitaciones, el equipo del MIT creó un nuevo transistor 3D utilizando materiales semiconductores ultrafinos, incluidos el antimonuro de galio y el arseniuro de indio.
El diseño aprovecha un fenómeno de la mecánica cuántica conocido como túnel cuántico, que permite a los electrones viajar a través de la barrera de energía en lugar de evitarla. Esta estructura, que consta de nanocables verticales de sólo unos pocos nanómetros de ancho, permite que estos transistores funcionen a voltajes mucho más bajos mientras mantienen un rendimiento a la par de los transistores de silicio modernos.
“Esta es una tecnología que tiene el potencial de reemplazar al silicio, por lo que se puede usar con todas las funciones que tiene actualmente el silicio, pero con una eficiencia energética mucho mejor”, dijo Yanjie Shao, investigador postdoctoral en el MIT y autor principal del estudio. . Noticias del MIT. Al confiar en transistores de túnel, el dispositivo logra una transición brusca entre los estados “apagado” y “encendido” con bajo voltaje, algo que los transistores de silicio no pueden hacer de manera eficiente.
Los transistores se diseñan utilizando confinamiento cuántico, donde los electrones se controlan dentro de un espacio pequeño, mejorando su capacidad para atravesar barreras. La instalación de última generación del MIT, MIT.nano, ha permitido a los investigadores modelar la geometría 3D precisa necesaria para este efecto, creando heteroestructuras de nanocables con diámetros tan pequeños como 6 nanómetros, los transistores 3D más pequeños reportados hasta la fecha.
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“Tenemos mucha flexibilidad para diseñar estas estructuras de materiales heterogéneos de modo que podamos crear una barrera de túneles muy delgada, lo que nos permite obtener una corriente muy alta”, explica Shaw. Este diseño admite una rampa de conmutación pronunciada, lo que permite que el dispositivo funcione por debajo del límite de voltaje del silicio convencional.
Según Jesús del Álamo, autor principal y profesor Donner de Ingeniería, “con la física convencional, sólo hay un camino limitado que se puede recorrer. El trabajo de Yanji muestra que podemos hacerlo mejor, pero tenemos que usar una física diferente. Todavía quedan muchos desafíos que deben superarse para que este enfoque se vuelva comercial en el futuro, pero en teoría, esto es un verdadero avance.
El equipo de investigación, que incluye a los profesores del MIT Joe Lee, Marco Bala y David Esini, ahora se ha centrado en mejorar los métodos de fabricación para lograr una mayor uniformidad entre los chips. Pequeñas inconsistencias, incluso a nivel nanométrico, pueden afectar el rendimiento del dispositivo, por lo que están explorando diseños de encabezado alternativos que podrían mejorar la coherencia. El estudio publicado en Electrónica de la naturalezafue parcialmente financiado por Intel Corporation, lo que refleja el interés de la industria en explorar soluciones más allá de la tecnología tradicional de silicio.
La computación cuántica ha sido durante mucho tiempo un tema de fascinación y entusiasmo, y promete resolver problemas complejos que exceden con creces las capacidades de las computadoras clásicas. A medida que nos adentramos en 2025, esta tecnología transformadora está preparada para dar un gran salto adelante, avanzando de qubits físicos a qubits lógicos. Este cambio representa un momento crucial en el viaje de la industria cuántica, que allana el camino para desarrollos interesantes en diversas industrias y aborda desafíos técnicos que, hasta ahora, han limitado el potencial de las computadoras cuánticas.
Anticipando el salto de los qubits físicos a los lógicos
De forma similar a los clásicos. Computadoras Los bits se utilizan para almacenar información, ya que las computadoras cuánticas se basan en el uso de qubits físicos para almacenar información cuántica. Desafortunadamente, los qubits físicos son sensibles al ruido ambiental, lo que los hace propensos a errores y no son adecuados para resolver grandes problemas computacionales. Esta limitación se puede superar mediante la corrección de errores cuánticos, que codifica información en múltiples qubits físicos para crear unidades más confiables y resistentes a errores llamadas qubits lógicos. Esta transformación permitirá que las computadoras cuánticas aborden problemas del mundo real, trasladando la tecnología de aplicaciones experimentales a aplicaciones prácticas a gran escala.
Para crear eficazmente muchos qubits lógicos, los dispositivos de computación cuántica deben integrar muchas técnicas y algoritmos avanzados y proporcionar recursos computacionales suficientes y confiables de manera sostenible. Los recientes avances técnicos en la industria cuántica, las asociaciones industriales de alto nivel y el creciente número de científicos e ingenieros que trabajan para corregir errores cuánticos han acelerado el cronograma para la creación de qubits lógicos mucho antes de lo esperado.
Justin Jing
Director de Producto, Atom Computing.
¿Qué se puede transformar en qubits lógicos?
La transición a qubits lógicos en 2025 mejorará significativamente las capacidades de las computadoras cuánticas, con implicaciones de gran alcance en múltiples sectores.
Se espera que la química cuántica sea una de las primeras aplicaciones de la computación cuántica que aproveche los qubits lógicos para simular reacciones químicas con mucha mayor precisión que las computadoras clásicas. La primera ola de estudios será muy científica, pero habrá un rápido punto de inflexión para la exploración del mundo real. Aplicaciones Lo cual tendrá un valor económico y social tangible.
Otra área que se beneficiará del paso a los qubits lógicos es la energía renovable y el desarrollo de baterías. Al simular procesos físicos cuánticos, como el comportamiento de los electrones en nuevos materiales, las computadoras cuánticas ayudarán a acelerar el desarrollo de baterías y soluciones de almacenamiento de energía más eficientes. Esto podría conducir a avances en los vehículos eléctricos, las redes de energía renovable y la búsqueda de soluciones energéticas sostenibles.
La lista de aplicaciones se amplía aún más a medida que aumenta el número de qubits lógicos y la calidad. Por ejemplo, acelerar la exploración de vastos espacios químicos para identificar fármacos potenciales para aplicaciones farmacéuticas, modelar sistemas complejos en el sector financiero, optimizar problemas de cadenas de suministro interconectadas para la industria manufacturera, modelar las propiedades físicas de nuevos materiales y mejorar el rendimiento de las máquinas. aplicaciones de aprendizaje. Todo esto se verá acelerado por la disponibilidad de qubits lógicos, que permitirán a los usuarios ejecutar algoritmos más profundos y complejos que antes.
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Aparte del creciente interés en las aplicaciones de la computación cuántica, una cuestión importante que está adquiriendo cada vez más importancia es la sostenibilidad de las propias tecnologías cuánticas. Como hemos visto con los desarrollos de la IA y los centros de datos, la huella física y ambiental de las tecnologías digitales puede ser radical, y la computación cuántica tendrá que encontrar su lugar de una manera más respetuosa con el medio ambiente. Los enfoques sosteniblemente escalables, como la computación atómica neutra, están ganando popularidad en el campo cuántico debido a los rápidos avances en el rendimiento técnico y su huella ambiental relativamente pequeña: un sistema atómico neutro a gran escala cabe dentro de una sala de conferencias típica y consume menos energía que un solo sistema de datos. rejilla central.
2025: un salto cualitativo
A medida que nos acercamos al año 2025, la industria de la computación cuántica está al borde de una gran transformación. El paso de qubits físicos a qubits lógicos cambiaría las reglas del juego y abordaría los desafíos de tasa de error y escalabilidad que han obstaculizado la computación cuántica durante años. Con empresas con visión de futuro a la cabeza, la próxima generación de sistemas cuánticos será más estable, sostenible y potente que nunca.
Este cambio abrirá la puerta a una nueva era de la computación cuántica, en la que problemas que antes no tenían solución se abordan directamente. Para finales de 2025, es posible que veamos cómo la computación cuántica pasa de una promesa teórica a una realidad práctica, transformando industrias y remodelando el futuro de la tecnología.
Este artículo se produjo como parte del canal Expert Insights de TechRadarPro, donde mostramos las mejores y más brillantes mentes de la industria tecnológica actual. Las opiniones expresadas aquí son las del autor y no necesariamente las de TechRadarPro o Future plc. Si está interesado en contribuir, obtenga más información aquí: https://www.techradar.com/news/submit-your-story-to-techradar-pro
Los recientes avances en computación cuántica han revelado que el procesador Sycamore de 67 qubits de Google puede superar al procesador clásico más rápido. Supercomputadoras. Este avance, detallado en un estudio publicado en Nature el 9 de octubre de 2024, señala una nueva fase en la computación cuántica conocida como “fase de ruido débil”.
Comprender la fase de ruido débil
La investigación, dirigida por Alexis Morvan de Google Quantum AI, muestra cómo los procesadores cuánticos podrían entrar en esta fase estable y computacionalmente compleja. Durante esta etapa, el chip Sycamore es capaz de realizar cálculos que superan las capacidades de rendimiento de las supercomputadoras tradicionales. Según los representantes de Google, este descubrimiento representa un paso importante hacia aplicaciones de la tecnología cuántica en el mundo real que no pueden ser replicadas por las computadoras clásicas.
El papel de los qubits en la computación cuántica
Computadoras cuánticas Aprovechar los qubits, que aprovechan los principios de la mecánica cuántica para realizar cálculos en paralelo. Esto contrasta marcadamente con la informática clásica, donde los bits procesan la información de forma secuencial. El poder exponencial de los qubits permite a las máquinas cuánticas resolver problemas en segundos, lo que a las computadoras clásicas les llevaría miles de años. Sin embargo, los qubits son muy sensibles a las interferencias, lo que da lugar a una alta tasa de fallos; Por ejemplo, aproximadamente 1 de cada 100 qubits podría fallar, en comparación con la increíblemente baja tasa de falla de 1 entre mil millones de qubits de los sistemas clásicos.
Superar retos: corregir ruidos y errores
A pesar del potencial, la computación cuántica enfrenta desafíos importantes, principalmente el ruido que afecta el rendimiento de los qubits. Para lograr la “supremacía cuántica”, son esenciales métodos eficaces de corrección de errores, especialmente a medida que aumenta el número de qubits, según LiveScience. un informe. Actualmente, las máquinas cuánticas más grandes contienen alrededor de 1.000 qubits, y escalarlas presenta complejos obstáculos técnicos.
Experimento: muestreo de circuito aleatorio
Y en el último experimento, Google Investigadores Utilizó una técnica llamada muestreo de circuitos aleatorios (RCS) para evaluar el rendimiento de una red bidimensional de qubits superconductores. RCS sirve como punto de referencia para comparar las capacidades de las computadoras cuánticas con las supercomputadoras clásicas y se considera uno de los puntos de referencia más desafiantes en computación cuántica.
Los resultados indicaron que manipulando los niveles de ruido y controlando las correlaciones cuánticas, los investigadores pueden mover los qubits a la “fase de ruido débil”. En este caso, los cálculos se han vuelto suficientemente complejos, lo que demuestra que el chip Sycamore puede superar a los sistemas clásicos.
microsoft Quantinuum afirma haber logrado grandes avances en la computación cuántica a través de su empresa conjunta Azure Quantum.
Las dos empresas afirman haber logrado crear una nueva generación de qubits lógicos altamente fiables, que son esenciales para lograr aplicaciones prácticas de la computación cuántica.
Hace unos meses, Microsoft y Quantinuum fueron pioneros en la creación de qubits lógicos altamente confiables mediante la aplicación del sistema de virtualización de qubits de Microsoft a los qubits de trampa de iones de la serie H de Quantinuum.
visito el cuanto
Inicialmente, las empresas pudieron producir cuatro qubits lógicos a partir de 30 qubits físicos. La tasa de error lógico de la producción fue 800 veces mejor que la tasa de error físico. Aunque Microsoft consideró esta hazaña impresionante, continuaron superando sus límites y valió la pena.
Ahora, la colaboración se ha ampliado, creando 12 qubits lógicos a partir de 56 qubits físicos en el dispositivo H2 de Quantinuum, mostrando una notable precisión del 99,8 % en operaciones de dos qubits.
El equipo demostró que estos qubits lógicos están entrelazados en una disposición compleja conocida como estado Greenberger-Horn-Zellinger (GHZ), que es más complejo que las preparaciones anteriores del estado Bell. Este entrelazamiento resultó en una tasa de error del circuito de 0,0011, mucho menor que la tasa de error de los qubits físicos de 0,024. Estos avances no sólo resaltan la posibilidad de realizar cálculos cuánticos más profundos, sino que también allanan el camino para la computación cuántica tolerante a fallas, un paso crucial hacia la realización de todas las capacidades de la tecnología cuántica.
La colaboración entre Microsoft y Quantinuum también es un hito en la aplicación de la computación cuántica a problemas del mundo real, especialmente en química. Combinando qubits lógicos con… inteligencia artificial (IA) y la computación en la nube de alto rendimiento (HPC) han abordado con éxito el complejo problema científico de estimar la energía del estado fundamental de un importante intermediario catalítico.
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El proceso comenzó determinando el espacio activo del catalizador mediante simulaciones de HPC. A continuación, se utilizaron qubits lógicos para simular el comportamiento cuántico del espacio activo. Los resultados de las mediciones de estas simulaciones se utilizaron luego para entrenar el modelo de IA, que finalmente proporcionó una estimación precisa de la energía del estado fundamental. Este flujo de trabajo integral representa el primer ejemplo en el que la computación cuántica, la computación cuántica y la inteligencia artificial se combinan para resolver un problema científico, lo que demuestra la utilidad práctica de las tecnologías cuánticas.
Si bien los resultados actuales aún no representan una ventaja científica cuántica completa (definida como la capacidad de las computadoras cuánticas para resolver problemas que están fuera del alcance de las computadoras clásicas), sí muestran el potencial de los sistemas cuánticos para superar a los métodos clásicos en escenarios específicos. El enfoque híbrido utilizado en este estudio demuestra cómo la computación cuántica puede mejorar la precisión de los cálculos químicos, especialmente para problemas complejos que desafían los sistemas clásicos.
La demostración exitosa de este flujo de trabajo híbrido no solo resalta las capacidades de los qubits lógicos, sino que también subraya la importancia de integrar la computación cuántica con otras tecnologías avanzadas. Al combinar las fortalezas de la inteligencia cuántica, la inteligencia artificial y la computación de alto rendimiento, los investigadores pueden desarrollar soluciones innovadoras para desafíos científicos urgentes.
La plataforma Azure Quantum sirve como centro central donde convergen la computación cuántica, la inteligencia artificial y la computación de alto rendimiento (HPC). Este ecosistema está diseñado para facilitar interacciones fluidas entre diferentes arquitecturas de hardware, lo que permite a los investigadores aprovechar las fortalezas de cada tecnología. Al combinar capacidades cuánticas con inteligencia artificial, los investigadores pueden aprovechar los algoritmos de aprendizaje automático para analizar conjuntos de datos masivos y extraer información significativa, acelerando drásticamente el proceso de investigación y desarrollo.
De cara al futuro, Microsoft afirma que está comprometido a hacer evolucionar su plataforma Azure Quantum para admitir una variedad de arquitecturas de qubits, incluidos qubits de átomos neutros y qubits topológicos. La integración de estas diversas tecnologías tiene como objetivo mejorar la confiabilidad y escalabilidad de la computación cuántica, lo que en última instancia conducirá al desarrollo de sistemas capaces de abordar algunos de los desafíos más importantes del mundo.
“La capacidad de nuestros sistemas para triplicar el número de qubits lógicos y al mismo tiempo duplicar el número de qubits físicos de 30 a 56 qubits físicos es un testimonio de la alta precisión y la conectividad integral de nuestros dispositivos de iones atrapados de la serie H”, dijo Rajib Hazrat, CEO de Quantinuum.
“Nuestro hardware H2-1 actual combinado con la plataforma de virtualización de bits cuánticos de Microsoft nos posiciona completamente a nosotros y a nuestros clientes para la computación cuántica elástica de Nivel 2. Esta poderosa colaboración desbloqueará avances aún mayores cuando se combine con las herramientas de vanguardia de IA y HPC que se ofrecen”. A través de Azure Quantum”.
