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Tecnología de silicio para los procesadores cuánticos a gran escala

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Poder utilizar la tecnología de silicio para crear la nueva generación de procesadores cuánticos sería un extra bien recibido, ya que permitiría el uso de las líneas de producción de semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS, por sus siglas en inglés) existentes. El proyecto MOS-QUITO se propone hacer que esto sea posible en un futuro próximo.

La computación cuántica puede ofrecer todo un nuevo universo de posibilidades, aunque también supone un desafío titánico. Los investigadores e ingenieros tuvieron que regresar a la mesa de diseño y revolucionar la forma en que se construyen los procesadores.

En este contexto, cualquier tecnología ya demostrada que pueda emplearse para hacer avanzar la investigación es como una bendición. El proyecto MOS-QUITO centró su atención en una de estas para crear procesadores cuánticos escalables: la tecnología de silicio. El objetivo del equipo es demostrar que los dispositivos cuánticos basados en silicio pueden fabricarse en su totalidad mediante una plataforma de CMOS compatible con esta industria. Estudiaron asimismo la posibilidad de desarrollar componentes electrónicos de CMOS tradicionales capaces de funcionar a temperaturas muy bajas y servir de «hardware» de control para los procesadores cuánticos.

«El proyecto se basa en años de investigación fundamental, los cuales nos han proporcionado un conocimiento importante sobre las propiedades electrónicas a baja temperatura (subkelvin) de los transistores de semiconductores complementarios de óxido metálico y, más concretamente, los dispositivos de transistores basados en la tecnología de silicio sobre aislante», expone Silvano De Franceschi, coordinador del proyecto en representación de la Comisión de Energía Atómica y Energías Alternativas francesa.

La idea del proyecto consiste en que el uso de la tecnología de silicio para la computación cuántica puede aprovechar las capacidades de integración a gran escala de una industria que ya está consolidada. Tal y como señala De Franceschi: «La finalidad de los ordenadores cuánticos es resolver problemas prácticos que los actuales ordenadores no podrían manejar y, para ello, precisan de un número muy elevado de cúbits físicos. Aprovechar la tecnología de silicio parece una opción convincente para materializar este objetivo».

A lo largo del proyecto, De Franceschi y su equipo diseñaron y probaron distintos cúbits de espín de silicio; unos cúbits que se basan en el grado de libertad de espín de una carga electrónica localizada para contener información cuántica durante mucho tiempo. A partir de aquí, aprovecharon una línea de fabricación de CMOS de 300 mm en Grenoble. Querían demostrar que pueden fabricarse cúbits de espín de silicio de alta calidad empleando procesos de CMOS estándares en la industria dentro de una planta de nanofabricación a gran escala.

No fue un proceso fácil, tal y como explica De Franceschi: «Las principales dificultades se detectaron en la fabricación de los dispositivos. Se tuvieron que desarrollar algunos nuevos procesos de fabricación y los problemas de fabricación inesperados provocaron cierto retraso. Además, registramos retrasos debidos a problemas con los equipos».

Otro objetivo importante de MOS-QUITO fue el desarrollo de un conjunto de herramientas de dispositivos basados en CMOS tales como amplificadores de bajo nivel de ruido, circuladores y multiplexores. Finalmente, estos podrían utilizarse como componentes electrónicos periféricos de baja temperatura con el fin de mejorar el control y la lectura de los cúbits. «Al compartir la misma tecnología CMOS, los cúbits y como mínimo una parte de los componentes electrónicos de control incluso podrían cointegrarse en el mismo chip. Esta oportunidad única podría resultar de especial utilidad para desarrollar circuitos de lectura rápida y escalable», destaca De Franceschi.
El trabajo en curso
El proyecto ha sido especialmente fructífero, con un total de cincuenta y cinco publicaciones y la presentación de siete patentes. Aparte de demostrar y estudiar la primera tecnología CMOS basada en cúbits, el proyecto publicó demostraciones de prueba de concepto de varios circuitos de CMOS criogénicos con diversas funcionalidades. Este trabajo es fundamental para el desarrollo de ordenadores cuánticos a gran escala, puesto que la información cuántica almacenada en cúbits puede degradarse rápidamente y quedar inutilizable si no se enfría a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Otros logros son el desarrollo y la optimización de técnicas de lectura de espín basadas en: reflectometría de puerta; la mejora de la comprensión y el uso de resonancia del dipolo eléctrico de espín tanto para huecos como electrones; y los resultados iniciales sobre el control de la carga en cuádruples puntos cuánticos basados en CMOS.

Aunque MOS-QUITO finalizó en septiembre de 2019, el trabajo continúa en dos proyectos de seguimiento. Dichos proyectos, QuCube (respaldado por una subvención Synergy del Consejo Europeo de Investigación) y QLSI (financiado por la Iniciativa Emblemática sobre Tecnologías Cuánticas), tienen ambos como objetivo acercar los cúbits de silicio a la computación cuántica escalable.

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