¿Qué papel jugará la ciencia de los materiales en la computación cuántica?

Tanto el hardware como el software, pero hay al menos algunos buenos algoritmos con todos los detalles de SW resueltos, solo necesitan una gran cantidad de HW que no estará disponible en el corto plazo. Para HW más modesto, no está claro qué SW daría resultados valiosos, pero no es inútil.

En cuanto a los nuevos materiales y sistemas físicos, como el grafeno, cada uno de ellos es realmente un tiro en la oscuridad. Quantum HW necesita satisfacer una docena de requisitos básicos, y las personas ahora tienden a entusiasmarse cuando algo nuevo ayuda con 2-3 de esos requisitos. Por lo tanto, escriben algunos documentos técnicos que explican en detalle lo fácil que es satisfacer esos 2-3 requisitos con su material o sistema físico favorito, y llaman a personas de relaciones públicas que elaboraron un comunicado de prensa burbujeante sobre un nuevo avance en la computación cuántica. Años más tarde se dan cuenta de que no hay forma de satisfacer algunos otros requisitos 5-6, y continúan con el siguiente material, con poca reutilización del trabajo anterior. Continúa hasta que ocurra un milagro.

Una de las razones de este estado de cosas es que la mayoría de los investigadores en física aplicada se especializan en uno o dos campos estrechos. Entonces, algunos investigadores que entienden, digamos, el grafeno, lo lanzan a todo con la esperanza de que los resultados futuros abran nuevas posibilidades. Luego, las personas que trabajan con semiconductores III-V intervienen y señalan que están haciendo un gran trabajo que podría ayudar con la computación cuántica. Un puñado de personas con una visión más descendente ya son bien conocidos y están bien financiados, por lo que permanecen relativamente tranquilos y se centran en sus avances futuros.

Por supuesto, varias tecnologías de control de calidad ahora son mucho más avanzadas que otras: incluyen (en orden decreciente de promesa, esto es subjetivo):

  1. Superconductores ultrafríos, donde la ciencia de los materiales es el 90% del éxito.
  2. Trampas de iones, donde la ciencia de los materiales parece menos crítica, pero algo importante.
  3. Óptica, donde la ciencia de los materiales tampoco es tan importante como para los superconductores.

La ciencia de los materiales es fundamental para el desarrollo de computadoras cuánticas, particularmente para implementaciones que usan hardware de estado sólido. Para los circuitos superconductores, que probablemente se han convertido en la implementación física más prometedora de una computadora cuántica, muchos de los desafíos pendientes para construir una computadora cuántica son los de ingeniería de dispositivos y materiales. Los circuitos superconductores han avanzado hasta el punto en que los investigadores pueden realizar operaciones en tres o cuatro qubits en los niveles que se consideran suficientes para la escalabilidad, lo que permite las demostraciones más básicas de corrección de errores cuánticos. Avanzar probablemente requerirá desarrollos que involucren materiales superconductores avanzados con baja pérdida de superficie y requerirá una mejor comprensión de cómo la calidad del material impacta la coherencia qubit (la coherencia qubit se refiere a la cantidad de tiempo que un bit cuántico persistirá antes de que la información se pierda en las interacciones ambientales). Cualquier otra implementación de estado sólido de una computadora cuántica probablemente requerirá el desarrollo de materiales avanzados, aunque estoy de acuerdo con Igor en que los “nuevos enfoques”, como los puntos cuánticos de grafeno, equivalen a un disparo en la oscuridad.

No soy un investigador específico en el campo, pero tengo amigos en el grupo Quantum Matter en UC Merced, y he pasado un rato en sus laboratorios.

Las limitaciones son mucho mayores en hardware que en software, pero ambas áreas están activas en la investigación. En otras palabras, se han desarrollado muchos algoritmos cuánticos sin hardware capaz de implementarlos (pero no al revés).

Los puntos cuánticos son prometedores para las aplicaciones de control de calidad porque le permiten controlar el estado de energía de un solo electrón. Las computadoras cuánticas que existen hoy en día usan esta tecnología u otra similar, pero están lejos de tener un uso práctico. Los aparatos que he visto son de muy alto mantenimiento, con costosas mesas antivibratorias, láseres, arreglos complejos de dispositivos ópticos, sobreenfriamiento y costosos equipos de imágenes, todo por solo unos pocos bits o equivalentes. Mucha de la investigación que se realiza no implica la construcción de una computadora cuántica per se, sino algunos aparatos construidos para medir y ajustar diferentes tipos de estados cuánticos.

Sin la ciencia de los materiales, la computación cuántica está restringida a libros de texto, trabajos teóricos y experimentos mentales.

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