Investigadores en Bélgica avanzan hacia la producción industrial de qubits

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Shana Massar, ingeniera del programa de computación cuántica de Imec, afirma: "El objetivo de las computadoras cuánticas no es reemplazar nuestras computadoras clásicas ya conocidas para realizar nuestras tareas diarias. Necesitamos computadoras cuánticas para un conjunto muy particular de problemas, problemas que tienen un alto grado de complejidad”.

Un ejemplo de un caso de uso de la computación cuántica es la resolución de problemas de optimización; otra es la simulación de sistemas moleculares. Esto se puede hacer para obtener una mejor comprensión de la ciencia de los materiales y también se puede hacer para ayudar a descubrir nuevos medicamentos.

En una computadora cuántica, la información se manipula de una manera fundamentalmente diferente que en una computadora clásica. En una computadora clásica, el elemento lógico es un bit, que puede tomar uno de dos estados: cero o uno. En una computadora cuántica, el elemento lógico es un qubit, o bit cuántico, que se define como cualquier sistema coherente de dos niveles que se puede inicializar, manipular y leer.

"Si observo el estado de un bit, el estado es cero o uno y esto conduce a una medición determinista, mientras que el qubit tiene una superposición de estado", dice Massar.

"Es una combinación lineal de cero y uno simultáneamente. Pero después de la lectura, es cero o uno junto con una cierta probabilidad, y esto conduce a una medición probabilística".

"La computadora cuántica tiene otra característica, el entrelazamiento. Los estados de bit clásicos son independientes entre sí, lo que lleva al hecho de que N bits almacenan N estados. Pero los qubits se pueden entrelazar. Se pueden acoplar, lo que significa que N qubits pueden 'procesar ' en cierto sentido, hasta dos a la potencia de los estados N. Cuando aplicamos una operación lógica a todos esos estados al mismo tiempo, obtenemos una paralelización masiva y una potencia computacional muy alta".

Pero ninguna de estas promesas de la computación cuántica se hará realidad hasta que alguien encuentre una manera de producir qubits confiables de manera repetible. Actualmente, los Qubits se implementan en los laboratorios de forma personalizada, pero a los investigadores de Imec les gustaría cambiar eso. Han comenzado a buscar formas de producir qubits a escala industrial.

"Para construir un sistema de un millón de qubits, o simplemente una computadora cuántica significativa, debe reducir la variabilidad de los qubits y aumentar el rendimiento de producción, manteniendo la fidelidad y la coherencia", dice Kristiaan De Greve, director científico y director de programas de Quantum. Informática en Imec.

"Es probable que los métodos que han estado utilizando algunos de los mejores laboratorios de investigación del mundo no le permitan llegar hasta el final. Tenemos un enfoque diferente y estamos tratando de ver si podemos usar las herramientas existentes de la industria de los semiconductores, donde han producido circuitos muy complejos, con baja variabilidad y alto rendimiento".

Hay varios enfoques diferentes para implementar qubits: óptica cuántica, iones atrapados, resonancia magnética, superconductores, nitrógeno vacante en diamantes y puntos cuánticos. Los investigadores de Imec se centran en dos tecnologías: los dispositivos superconductores y los puntos cuánticos semiconductores.

Una de las razones de estas elecciones es que Imec ve esas tecnologías como formas prometedoras de hacer qubits de alta calidad. Pero la segunda razón, la razón más importante de Imec, es que los qubits en esas dos tecnologías se pueden fabricar de una manera que es compatible de primer orden con las instalaciones complementarias de semiconductores de óxido de metal (CMOS), instalaciones que Imec tiene en muy alta calidad.

Un desafío con ambos enfoques es que funcionan a temperaturas muy bajas. Por eso, Imec también está investigando en crioelectrónica, electrónica que puede funcionar a muy bajas temperaturas.

Imec tiene como objetivo construir qubits adecuados y estables y matrices de qubits junto con las interfaces electrónicas necesarias, que permitan a los programadores configurar los qubits para ejecutar un programa y luego leer los resultados.

Para descubrir técnicas de producción óptimas, Imec ha establecido un proceso de investigación, en el que prueban diferentes materiales, arquitecturas y técnicas de producción para producir qubits y luego prueban los resultados para medir qué técnicas funcionan mejor.

La primera fase de su investigación es la fase de diseño, donde un equipo de expertos realiza simulaciones para encontrar el mejor diseño, dados los diferentes materiales y las dimensiones requeridas. Cuando se completa la fase de diseño, pasan a la segunda fase, la fase de fabricación, que comienza ejecutando otras simulaciones para encontrar formas óptimas de crear los qubits, determinando el flujo de proceso más preciso y las mejores configuraciones y recetas.

Luego, Imec procesa su muestra en la fábrica, monitoreando de cerca los diferentes pasos de procesamiento utilizando caracterización en línea. Cuando la fabricación de las muestras es exitosa, pasan a la última fase: criocaracterización o caracterización a baja temperatura.

Al final, terminan con una oblea llena de troqueles, subtroqueles y chips que montan en un portamuestras para ponerlo en un refrigerador para realizar mediciones a muy baja temperatura. Las temperaturas bajan a solo unas pocas milésimas de Kelvin, que es mucho más frío que el espacio exterior. Usando las mediciones criogénicas, los investigadores de Imec extraen el rendimiento y las características de los cúbits y evalúan qué tan bien funciona un proceso de diseño y fabricación determinado.

"Actualmente estamos enfocando nuestra investigación en la fabricación de dispositivos, y estamos investigando diferentes materiales de pilas de puertas y tecnología de patrones", dice Massar. "También estamos investigando diferentes materiales de sustrato y recetas de formación. Y observamos el presupuesto térmico general de nuestros procesos y la consecuencia que tiene en la calidad del qubit.

"Al mismo tiempo, estamos trabajando en el control y diseño de qubit. Estamos mejorando el diseño de nuestros dispositivos, los dispositivos de control de qubit y la calidad de configuración de la medición. Como ejemplo, en los últimos meses, hemos han trabajado para disminuir el ruido electromagnético en nuestra configuración de medición, lo que conduce a una mejor calidad en la lectura de qubit.

"En el otro extremo, también estamos analizando la calidad de la configuración de la caracterización. Queremos mejorar la lectura de qubit y también mejorar nuestra configuración en términos tanto de la cantidad de mediciones como de la calidad de cada medición".

Imec ha hecho grandes progresos. El año pasado, demostró un proceso compatible con la fábrica para fabricar qubits superconductores de alta coherencia y ahora está transfiriendo el proceso del laboratorio a la fábrica. Al hacer esto, esperan abrir nuevas posibilidades para fabricar qubits fabulosos con alta coherencia y baja variabilidad.

¿Quién sabe? Tal vez algún día esto conduzca a una computadora cuántica de un millón de qubits.