El ruido magnético a escala atómica ha sido durante años uno de los mayores obstáculos para el desarrollo de computadoras cuánticas comerciales viables. A diferencia de las computadoras convencionales, las máquinas cuánticas almacenan información en qubits, unidades de información cuántica extraordinariamente sensibles a cualquier perturbación en su entorno. Incluso disturbios microscópicos pueden causar que un qubit pierda su frágil estado cuántico, un proceso conocido como decoherencia.

Una fuente sorprendentemente importante de esa perturbación proviene de los isótopos que ocurren naturalmente en los materiales semiconductores. El silicio encontrado en la naturaleza está compuesto principalmente por silicio-28, pero también contiene una pequeña cantidad de silicio-29. De manera similar, el germanio natural contiene varios isótopos, incluyendo germanio-73. A diferencia de sus contrapartes más útiles, el silicio-29 y el germanio-73 poseen espín nuclear, una propiedad magnética diminuta que actúa como innumerables imanes microscópicos dispersos a lo largo del material. Esos núcleos atómicos que giran constantemente generan fluctuaciones magnéticas débiles que, aunque individualmente son casi insignificantes, juntas crean suficiente ruido de fondo para interferir con los qubits cercanos.

"Durante años, la promesa de la supercomputación cuántica ha sido obstaculizada por el ruido microscópico del mundo físico", afirmó Christopher Landers, director de la Oficina de Investigación y Producción de Isótopos del Departamento de Energía de Estados Unidos, según la fuente. Los investigadores han sabido durante años que eliminar estos isótopos podría mejorar dramáticamente el hardware cuántico. Un estudio de 2014 demostró que los qubits de espín de silicio fabricados a partir de silicio-28 altamente enriquecido exhibían tiempos de coherencia dramáticamente más largos que aquellos hechos de silicio natural, reforzando la importancia de los materiales isotópicamente purificados para la computación cuántica.

Sin embargo, producir materiales tan altamente enriquecidos ha permanecido técnicamente difícil, con Estados Unidos dependiendo de capacidades limitadas de enriquecimiento doméstico y proveedores extranjeros. En lugar de rediseñar los procesadores cuánticos, los laboratorios del Departamento de Energía se enfocaron en mejorar la materia prima a partir de la cual se fabrican esos procesadores.

El proyecto dividió el trabajo entre dos laboratorios nacionales, cada uno abordando una parte diferente de la cadena de fabricación. En el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, los científicos utilizaron una versión avanzada de la Separación Electromagnética de Isótopos (EMIS), una técnica que clasifica átomos según su masa. Aunque el concepto básico se remonta a los separadores electromagnéticos utilizados durante el Proyecto Manhattan, el sistema moderno ha sido extensamente optimizado. La tecnología mejorada puede aislar múltiples isótopos en una sola ejecución de producción mientras logra un rendimiento de enriquecimiento que supera los sistemas de la era de la Guerra Fría anterior. Utilizando materiales de partida disponibles comercialmente, Oak Ridge eliminó casi todo el silicio-29 y germanio-73, empujando sus concentraciones por debajo de una parte por millón.

El silicio-28 resultante alcanzó una pureza del 99,9999%, mientras que los productos de germanio contenían menos de una parte por millón de germanio-73. Los materiales enriquecidos fueron luego transferidos al Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, donde los investigadores enfrentaron otro desafío. Los isótopos altamente purificados pueden contaminarse fácilmente nuevamente mientras se convierten en productos químicos industriales utilizados durante la fabricación de chips. "La dilución isotópica del silicio enriquecido es un problema desafiante", dijo Mike Powell, uno de los investigadores e investigador principal en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, según la fuente.

Para prevenir que esto sucediera, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico desarrolló nuevos sistemas de conversión química y purificación capaces de transformar silicio y germanio enriquecidos en silano ultrapuro (SiH₄) y germano (GeH₄), los gases precursores utilizados por la industria de semiconductores para depositar capas extremadamente delgadas de silicio y germanio en chips avanzados, incluyendo futuros dispositivos cuánticos. El laboratorio también modernizó la Separación Isotópica por Difusión Térmica (TDIS), permitiendo que los gases mismos sean enriquecidos directamente. Este paso adicional minimiza el riesgo de dilución isotópica que puede ocurrir durante el procesamiento convencional.

Como el silano y el germano son gases peligrosos, los investigadores también construyeron sistemas de control automatizados que monitorean continuamente cientos de condiciones operativas, ayudando a mantener tanto la seguridad como una pureza química excepcionalmente alta durante toda la producción. El sistema comienza con enriquecimiento de isótopos y termina con materiales precursores de grado semiconductor listos para la fabricación de dispositivos cuánticos.

Los científicos lograron producir materiales más de 100 veces más limpios que las alternativas disponibles comercialmente en todo el mundo. "Al lograr purezas isotópicas nunca antes vistas en la Tierra, estamos entregando directamente la base para las computadoras cuánticas más estables del mundo aquí en América. Esto no es solo un paso incremental; es la chispa para encender la próxima revolución tecnológica", afirmó Landers, según la fuente.

Más allá de ser un avance en materiales, el proyecto restaura una capacidad que Estados Unidos perdió en gran medida después de que sus históricos calutrones de la era de la Segunda Guerra Mundial fueron desmantelados en 1998. La nueva línea de producción combina el enriquecimiento de isótopos de Oak Ridge con la conversión química, purificación y enriquecimiento directo de gas del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, creando una fuente doméstica de materiales de grado semiconductor para futuras tecnologías cuánticas.

Los mismos métodos de enriquecimiento también pueden producir otros isótopos relevantes para la computación cuántica, incluyendo germanio-70, germanio-76 e iterbio-171, que se utilizan en varias arquitecturas de computación cuántica. "Con estas capacidades en Oak Ridge y las capacidades complementarias en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, la Oficina de Investigación y Producción de Isótopos tiene la capacidad de suministrar purezas isotópicas y químicas sin precedentes de silicio, germanio y otros isótopos en las formas físicas necesarias para la investigación cuántica", dijo Landers, según la fuente.

Sin embargo, el avance no elimina los mayores obstáculos de la computación cuántica de la noche a la mañana. Los investigadores aún necesitan demostrar que los materiales ultrapuros mejoran consistentemente los dispositivos cuánticos comerciales, y expandir la producción a escalas industriales requerirá inversión continua. El Departamento de Energía afirma que el trabajo futuro se enfocará en simplificar la fabricación, reducir los riesgos de contaminación e incrementar los suministros de estos materiales, pasos que podrían fortalecer tanto las cadenas de suministro de computación cuántica como de semiconductores de Estados Unidos.