¿Pueden los gemelos cuánticos resolver problemas materiales complejos?

 Mientras las computadoras cuánticas continúan su avance gradual hacia una utilidad práctica, surge una alternativa estratégica: la simulación cuántica analógica. A diferencia de las computadoras cuánticas universales, esta vía no busca un control absoluto sobre cada bit de información cuántica o cúbit.

En su lugar, los simuladores cuánticos están diseñados para imitar de forma directa sistemas complejos y de difícil acceso, como moléculas individuales, reacciones químicas o materiales de vanguardia. Aunque la simulación analógica sacrifica flexibilidad, lo compensa con una disponibilidad inmediata; estos sistemas ya son una realidad operativa.

“En lugar de emplear cúbits, como se haría en una arquitectura cuántica convencional, codificamos el problema directamente en la geometría y la estructura de la propia matriz de silicio”, explica Sam Gorman, líder de ingeniería de sistemas cuánticos en Silicon Quantum Computing, la startup con sede en Sídney.

Recientemente, Silicon Quantum Computing presentó su innovador producto Quantum Twins (Gemelos Cuánticos), un simulador basado en silicio disponible para clientes mediante contrato directo. Para demostrar su capacidad, el equipo comprobó que su dispositivo, integrado por 15,000 puntos cuánticos, puede simular la transición de fase de un material de aislante a metal —un fenómeno ampliamente estudiado— incluyendo todos sus estados intermedios. Los resultados de esta investigación fueron publicados esta semana en la prestigiosa revista Nature.

“Actualmente, poseemos la capacidad de realizar procesos que, consideramos, nadie más en el mundo puede ejecutar”, afirma Gorman.

Un proceso de fabricación de alta precisión

Aunque el lanzamiento comercial es reciente, el equipo de Silicon Quantum Computing perfeccionó su proceso de Fabricación de Átomos Cúbit de Precisión tras la fundación de la empresa en 2017. Este desarrollo se fundamenta en la trayectoria académica de su fundadora, Michelle Simmons, quien ha liderado esta línea de investigación por más de 25 años. La tecnología central consiste en un método de fabricación capaz de posicionar átomos individuales de fósforo dentro de una estructura de silicio con una precisión subnanométrica.

Simmons detalla que el proceso consta de 38 etapas para modelar estos átomos. Todo comienza con un sustrato de silicio recubierto por una capa de hidrógeno. Mediante un microscopio de efecto túnel, se extraen átomos de hidrógeno específicos de la superficie, dejando expuesto el silicio subyacente. Posteriormente, se aplica gas fosfina, el cual se adsorbe únicamente en las áreas expuestas. A través de un recocido térmico a baja temperatura, el átomo de fósforo se integra en el cristal de silicio y, finalmente, se añaden nuevas capas de silicio sobre la superficie.

“Todo se desarrolla en condiciones de ultraalto vacío, garantizando un sistema extremadamente puro y limpio”, señala Simmons. “Se trata de un chip monolítico fabricado con precisión subnanométrica. En 2014, logramos crear marcadores en el chip para localizar con exactitud los átomos y establecer los contactos necesarios, los cuales operan en la misma escala de longitud que los átomos y los puntos cuánticos”.

Si bien el equipo tiene la capacidad de manipular átomos individuales, para estos chips de aplicación específica utiliza grupos de 10 a 50 átomos de fósforo para conformar un «registro». Estos registros funcionan como puntos cuánticos que preservan las propiedades cuánticas atómicas. El control se ejerce mediante voltajes de compuerta desde contactos situados en la parte superior del chip, permitiendo ajustar las interacciones al definir con precisión las distancias entre ellos.

Aunque la compañía mantiene líneas de investigación en computación cuántica tradicional, identificó que ya poseía la capacidad de realizar simulaciones útiles en el dominio analógico al integrar miles de estos registros en un solo chip para medir propiedades globales, sin la necesidad de controlar cúbits individuales. “Nuestra ventaja distintiva es la rapidez: podemos instalar 250,000 de estos registros en un chip en tan solo ocho horas y finalizar el diseño completo en una semana”, añade Simmons.

Fronteras de la simulación

En 2022, Silicon Quantum Computing utilizó una versión preliminar de esta tecnología para simular una molécula de poliacetileno. La conductividad de este compuesto químico varía drásticamente según la configuración de sus enlaces simples y dobles de carbono. Para replicar este comportamiento, el equipo ajustó las distancias de sus registros con precisión subnanométrica y, mediante voltajes de puerta, logró reproducir con éxito los saltos de conductividad.

Ahora, han escalado esta tecnología a los Gemelos Cuánticos para abordar un desafío de mayor magnitud: la transición metal-aislante en un material bidimensional. Mientras que la molécula de poliacetileno requirió solo 10 registros, este nuevo modelo empleó 15,000. Este fenómeno es crucial porque, en su fase intermedia, la complejidad cuántica de los electrones lo hace computacionalmente intratable para la informática clásica. “Ese régimen turbio es el gran desafío para la computación tradicional, pero nosotros podemos situar nuestro sistema en ese estado con relativa facilidad”, explica Gorman.

Tras validar que el dispositivo se comporta según las predicciones, el equipo se enfoca ahora en problemas de alto impacto. Los planes futuros incluyen investigar la superconductividad no convencional, los orígenes del magnetismo y las interfaces de materiales, con aplicaciones potenciales en el desarrollo de baterías de próxima generación.

Si bien las primeras implementaciones pertenecen al ámbito científico, Simmons prevé que los Gemelos Cuánticos alcancen aplicaciones industriales, como el descubrimiento de fármacos. “Muchos fármacos poseen estructuras similares al poliacetileno, con cadenas de carbono y grupos funcionales. Comprender cómo mapear estas estructuras en nuestro simulador es un reto único en el que nos enfocaremos”, concluye Simmons. “Estamos entusiasmados por las posibilidades que se abren”.