chip de silicio

En una habitación tranquila, sin un solo imán, dos electrones en una trampa de silicio siguen sintiendo un leve temblor. Lo crean los núcleos de los átomos de silicio y germanio, que giran caóticamente como las agujas de brújulas rotas. Antes se consideraba ese temblor una molestia, pero ahora se ha convertido en un instrumento de medición.

La orquesta toca, pero el director solo oye un murmullo general. Cada instrumento lleva su parte, pero no se distingue dónde está la flauta y dónde el contrabajo. Se necesita un analizador de espectro: un dispositivo que descompone el sonido por frecuencias.

Una gota de agua sobre el vidrio tiembla y brilla: parece tener vida propia. Un comportamiento similar ahora puede verse en el mundo de los coloides: partículas diminutas suspendidas en un líquido. Los investigadores simularon en computadora partículas que emiten señales químicas. Estas señales, como olores en el aire, se propagan alrededor y hacen que los vecinos se acerquen o se alejen.

Decenas de bobinas de cobre en el tomógrafo captan la débil respuesta de los tejidos, como micrófonos que intentan escuchar un susurro en una sala ruidosa. Cada micrófono arrastra un grueso haz de cables. Los cables se presionan entre sí, generan interferencias eléctricas, se calientan y añaden riesgo para el paciente.

Dos buzones en extremos opuestos de la ciudad. Metes una carta en uno y, al instante, aparece una idéntica en el otro. Así funciona, más o menos, el entrelazamiento cuántico: dos partículas se comportan como una sola entidad, incluso si las separas a gran distancia.

Las hileras de cables que van de la sala templada al frigorífico con el chip cuántico recuerdan a una centralita telefónica enredada del siglo pasado. Cada cúbit exigía su propio canal analógico para un ajuste fino, y los cables aportaban calor extra y se enredaban entre las manos.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe tocar su parte a la perfección, o la melodía se desmorona. Antes, controlar los cúbits —los "músicos" cuánticos— requería una sala llena de equipos, y cada cable extra añadía ruido.

La luz que viaja hacia nosotros durante casi 14 mil millones de años es como una fotografía antigua cuyos detalles emergen con un revelado cuidadoso. La radiación cósmica de fondo (resplandor posterior del Big Bang) guarda la huella de los primeros instantes del universo, pero su señal es débil y distorsionada.

Un transistor de potencia de carburo de silicio opera bajo voltajes miles de veces superiores a los de un enchufe doméstico. Si el campo se distribuye de manera desigual en su interior, el dispositivo se quema. Antes no se podía ver ese campo: es demasiado intenso para los sensores convencionales, y el dispositivo debe permanecer bajo tensión.

Las ondas de radio nos rodean, pero el ojo no las ve. Un nuevo sensor del tamaño de una uña las convierte en una mancha de color en una pequeña pantalla. Dentro del chip hay una capa de cristales líquidos, los mismos que se usan en las pantallas de los teléfonos. Entre ellos se entretejen finos hilos ferromagnéticos. Cuando llega una onda de radio, los hilos se calientan rápidamente.

La soldadura convencional no sirve para circuitos cuánticos: al enfriarse hasta la temperatura del helio líquido, el metal se agrieta y los contactos introducen ruido.

Un imán de nevera atrae un clip: ese campo lo sentimos con las manos. Ahora reduzca ese campo mil millones de veces. Señales tan débiles son las que emiten los átomos dentro de nuestro cuerpo, y son muy difíciles de captar. Los científicos construyeron un sensor con moléculas especiales que actúan como diminutos imanes.

El bismuto bidimensional sobre un sustrato de silicio es un material prometedor para la electrónica del futuro. Sus bordes conducen la corriente sin pérdidas, como una autopista de alta velocidad sin semáforos. Pero el bismuto es delicado: el aire y la humedad deterioran rápidamente sus propiedades.

La luz, al atravesar un cristal delgado, puede cambiar de color y de dirección de vibración. En una lámina de disulfuro de molibdeno de unos cientos de átomos de grosor, un rayo infrarrojo se convierte en verde, y su polarización —es decir, cómo vibra la onda de luz— obedece a la geometría del cristal.

El silicio es como un bloque de construcción universal: con él se fabrican los chips de los teléfonos, los paneles solares y los láseres. Pero si se comprime con una fuerza enorme, los átomos se reorganizan en nuevos patrones: estas formas se llaman alótropos. Uno de ellos, el Si-XIII, se observó por primera vez hace más de veinte años, pero su patrón exacto seguía siendo un enigma.

Las tecnologías cuánticas suelen usar la luz, no como una simple bombilla, sino como portadora de información. Una forma de hacerlo es codificar los datos en la frecuencia: cada 'color' del fotón puede ser una celda de memoria independiente. El problema es que trabajar con estos estados de color requiere un laboratorio entero: fuente de fotones, filtros, moduladores, detectores.

La luz, al pasar por una lente, se curva ligeramente. Para una computadora óptica, esto es como un espejo deformado para un artista: la imagen está, pero los detalles se desdibujan. La máquina de Ising basada en rayos de luz resuelve problemas como organizar equipaje o planificar la ruta de un mensajero.

Una célula solar normal hace una sola cosa: cuando brilla el sol, fluye la corriente. Pero aquí, cuando brilla el sol, la corriente fluye de manera distinta según de qué lado acerques un imán.

En un cristal de carburo de silicio, parecido a una piedra transparente, se esconden defectos: lugares donde los átomos no están alineados. Uno de estos defectos funciona como un nodo cuántico: el electrón en su interior gira y procesa información, mientras que el núcleo de un átomo vecino la guarda silenciosamente.

En una oblea de silicio, parecida a un barrio residencial, los cúbits —electrones con espín— viven en «casas» separadas. Antes, los vecinos solo se comunicaban a través de la valla, pero ahora han construido una carretera entre ellos: por ella, un cúbit viaja a cualquiera de las cuatro paradas.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde los electrones y los núcleos tocan instrumentos diferentes. Normalmente, el director necesita dos batutas: microondas para los electrones y ondas de radio para los núcleos.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta que antes de cada pieza debe afinar sus instrumentos. La afinación lleva tiempo y exige silencio —en nuestro caso, frío profundo. Para los chips de silicio con átomos de boro, esa afinación suele hacerse con microondas, lentamente y solo a temperaturas inferiores a 2 kelvin (menos 271 grados Celsius).

En el desierto chileno de Atacama, a casi cinco kilómetros de altitud, se alza un radiotelescopio que capta ondas milimétricas procedentes de las profundidades del cosmos.

Una oblea de silicio es como la masa para galletas. La calientas en el horno y en su interior aparecen pequeñas pasas: defectos en la red cristalina que pueden emitir fotones individuales. Estas "pasas" se llaman centros de color y son necesarias para los ordenadores cuánticos y las comunicaciones seguras.

Un pulso de luz en una fibra óptica es como el disparo de una pistola de salida: corto, seco, imposible de confundir con el silencio. Ese tipo de pulsos es lo que emite la nueva neurona artificial construida sobre un chip de silicio. Está hecha de un cristal de fosfuro de galio, un material que puede vibrar y transmitir luz al mismo tiempo.

Tanto geólogos como navegantes necesitan mediciones precisas de la gravedad. Pero los gravímetros convencionales son aparatos voluminosos que tardan en "asentarse" después de cada medición. ¿Y si hay que monitorear cambios rápidos en la atracción, por ejemplo, bajo tierra o en vuelo? Entonces se necesita un instrumento pequeño y receptivo.

En el mundo de los microchips, donde los flujos de fotones (cuantos de luz) transportan información, surge un problema fundamental: la luz, al atravesar la materia, inevitablemente la calienta. Ese calentamiento genera fluctuaciones térmicas: sacudidas caóticas e impredecibles de los átomos que desbaratan el funcionamiento preciso del dispositivo.

Un pequeño diamante con defectos —átomos de nitrógeno que ocupan el lugar del carbono— esconde una característica inusual. Alrededor de cada defecto gira un electrón extra, como una peonza que se puede inclinar con pulsos de radio.