Uno de los obstáculos más persistentes para la computación cuántica práctica no es un problema de diseño de procesadores o algoritmos de corrección de errores, es el ruido magnético microscópico generado por los átomos dentro del propio chip. El Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) anunció este mes un avance que aborda ese ruido en su origen, produciendo materiales precursores de silicio y germanio ultrapuros con niveles de pureza isotópica que ningún alternativo disponible comercialmente puede igualar.
El logro, anunciado por la Oficina de Investigación y Producción de Isótopos del DOE el 20 de julio, representa una colaboración entre el Laboratorio Nacional Oak Ridge y el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste. ORNL utilizó separación electromagnética avanzada de isótopos, una versión modernizada de la tecnología calutrón de la era de la Guerra Fría que fue desmantelada en 1998, para eliminar casi todos los isótopos causantes de ruido magnético de los materiales de partida de silicio y germanio. El silicio-28 resultante alcanzó una pureza del 99,9999 %, con el problemático isótopo silicio-29 reducido a menos de una parte por millón.
Los productos de germanio lograron resultados similares, con el isótopo germanio-73 inductor de ruido también reducido a menos de una parte por millón. Ambos materiales son al menos 100 veces más puros que cualquier equivalente disponible comercialmente en todo el mundo.
La razón por la que esto es importante para la computación cuántica se reduce a cómo los qubits mantienen su estado. El silicio natural contiene silicio-29, un isótopo cuyo núcleo tiene un espín magnético. Cuando un qubit está incrustado en un chip de silicio que contiene incluso trazas de este isótopo, las fluctuaciones magnéticas que produce causan decoherencia, la pérdida gradual del estado cuántico que hace posible la computación. Elimine el silicio-29, y el entorno operativo del qubit se vuelve magnéticamente silencioso, permitiéndole mantener la coherencia mucho más tiempo.
Un estudio de 2014 demostró este principio al mostrar que los qubits de espín de silicio fabricados con silicio-28 altamente enriquecido exhibían tiempos de coherencia dramáticamente extendidos. El nuevo trabajo del DOE hace que ese nivel de enriquecimiento sea alcanzable a una escala significativa a través de una cadena de suministro doméstica.
El desafío técnico no terminó con la separación de isótopos. Una vez que el material enriquecido se produjo en ORNL, tuvo que ser convertido en silano y germano, los gases especializados que la industria de semiconductores utiliza para depositar películas ultrafinas de silicio y germanio sobre los chips. Este paso de conversión ha sido históricamente una fuente de dilución isotópica, donde el cuidadoso trabajo de enriquecimiento se deshace por la contaminación durante el procesamiento químico.
PNNL desarrolló nuevos sistemas de conversión química y purificación para prevenir esa dilución. El laboratorio también modernizó la tecnología de separación isotópica por difusión térmica, permitiendo el enriquecimiento directo de los gases silano y germano, un paso de procesamiento adicional que mantiene la pureza isotópica hasta el producto final. Los sistemas de seguridad automatizados monitorean cientos de variables de proceso para manejar los gases peligrosos de forma segura.
El interés del DOE se extiende más allá de la computación cuántica. Los mismos métodos de enriquecimiento pueden producir otros isótopos críticos para la computación cuántica, incluyendo germanio-70, germanio-76 e iterbio-171, utilizados en computación cuántica de iones atrapados y aplicaciones de memoria cuántica. La capacidad más amplia restaura una capacidad doméstica de enriquecimiento isotópico que Estados Unidos perdió cuando sus calutrones de la era de la Guerra Fría fueron desmantelados.
El obstáculo inmediato es traducir este logro a escala de laboratorio en mejoras consistentes en dispositivos cuánticos comerciales. Los investigadores aún necesitan demostrar que los chips fabricados con estos materiales ultrapuros ofrecen ganancias medibles en tiempo de coherencia de qubits y fidelidad de compuertas a escala. La expansión de la producción a niveles industriales requerirá inversión sostenida, y el DOE ha indicado que la próxima fase de trabajo se centrará en simplificar el proceso de fabricación y reducir aún más los riesgos de contaminación.
Sources: Silencing the Noise: DOE Unveils Breakthrough Domestic Silicon and Germanium Isotope Supply Chains (Departamento de Energía de EE.UU., 20 de julio de 2026); DOE Labs Achieve Major Breakthrough in Ultra-Pure Isotope Production (AZOQuantum, 20 de julio de 2026); 99.9999% Pure: US Scientists Create Ultra-Clean Silicon for Next-Gen Quantum Chips (Interesting Engineering, 26 de julio de 2026)
Traducido por Alessandra