Primera trobada de la nova línia pilot europea per al desenvolupament de tecnologia quàntica basada en semiconductors

La tecnologia quàntica és un camp de recerca en auge pel seu potencial per a revolucionar la societat. A través de fenòmens com la superposició quàntica, permetrà desenvolupar dispositius amb capacitats encara inimaginables, que superen les de la tecnologia convencional. La Unió Europea, a través de les iniciatives per al reforç de la sobirania tecnològica emmarcades en l'Empresa Comuna Xips (Chips Joint Undertaking), va posar en marxa a l'abril una nova línia pilot per a explorar el potencial dels dispositius quàntics basats en semiconductors, SPINS.

L'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM), un centre propi del CSIC, és el centre de recerca espanyol amb major participació en SPINS. L'empresa Quàntum Motion Spain i el centre CIC Nanogune són els altres membres estatals. Coordinada per IMEC des de Bèlgica, la línia pilot es va reunir formalment per primera vegada ahir, 11 de maig, en la seu d'IMEC en Leuven. Amb SPINS, l'IMB-CNM participa oficialment en tres de les línies pilot llançades per la UE en la seva estratègia de reforç de la sobirania tecnologia, a més dels dos centres de competència espanyols, i consolida el paper del CSIC en el nou ecosistema europeu de xips.

A continuació, es reprodueix un reportatge original de la revista CSIC Investiga #10 Cuántica, que explora el funcionament de la tecnologia.

Traçant punts quàntics amb tecnologia microelectrònica

Les aproximacions de desenvolupament de la quàntica solen implicar replantejar les metodologies de disseny i fabricació, ja que molts sistemes actuals no tenen la capacitat suficient per a fer-los d'aquest tipus. No obstant això, la nova línia pilot proposa reforçar una solució que opta per l'eficiència: desenvolupar tecnologia quàntica basada en semiconductors. Així, els mètodes de fabricació estandarditzats durant dècades per la indústria microelectrònica —la que produeix els xips— podrien aplicar-se a la creació de dispositius quàntics. L'IMB-CNM té un grup de recerca dedicat a això.

"Ens centrem en la fabricació de qbits d'espín basats en semiconductors utilitzant tecnologia de transistors MOS de silici, disponible a l'IMB-CNM”, expliquen Francesc Pérez Murano i Joan Bausells, professors de recerca del CSIC a l'IMB-CNM i líders d'aquesta línia de recerca tecnològica a Espanya. La tecnologia basada en transistors MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) és l'estàndard de fabricació en la indústria microelectrònica, que s'utilitza per a la fabricació de la immensa majoria de xips que componen els ordinadors i equips electrònics.

El Grup de NEMS i Nanofabricació (NanoNEMS) de l'IMB-CNM treballa en el desenvolupament de plataformes que combinen tècniques avançades de nanofabricació per a crear dispositius quàntics escalables. Tot això es duu a terme a la Sala Blanca de Micro i Nanofabricació de l'IMB-CNM, on es manté un ambient control·lat en temperatura, humitat i fins i tot en el nombre de partícules en l'aire. En aquest cas, conté entre 100 i 10.000 partícules per peu cúbic, en comparació amb un quiròfan d'hospital, que té al voltant de 35.000, o una habitació normal, que sol superar el milió.

Condicions com la temperatura, la pressió i la freqüència de renovació de l'aire es mantenen constants per a garantir que els processos es poden realitzar de la mateixa forma en cada circuit, ja que es fabriquen elements de dimensions diminutes (escales micro i nanomètrica). Tot això per a manufacturar circuits integrats (xips), sensors, actuadors i detectors, entre altres.

Per què els qbits semiconductors poden ser el futur de la quàntica

Tant els qbits semiconductors com els superconductors poden fabricar-se aprofitant plataformes de microelectrònica ja existents. Existeixen també altres tecnologies, com els qbits d'ions atrapats o els qbits fotònics, cadascun amb els seus propis desafiaments i característiques. A diferència dels anteriors, aquests no utilitzen necessàriament processos de microelectrònica convencional, ja que depenen de sistemes òptics o camps electromagnètics.

Els qbits superconductors són actualment els més avançats quant a aplicació pràctica. No obstant això, presenten una limitació important: la seva grandària. Amb dimensions que oscil·len entre les 10 i 100 micres –molt grans en termes de microelectrònica–, la seva integració en xips amb milers de qbits resulta complexa. Per això, tecnologies com els qbits d'espín en semiconductors, més compactes i compatibles amb processos industrials, estan guanyant protagonisme en la carrera per l'escalabilitat.

Per part seva, els qbits d'espín permeten dissenyar de forma més compacta i operar en condicions menys exigents, “un processador quàntic amb milions de qbits d'espín semiconductors es podria integrar en un xip de dimensions habituals, 10 per 10 mil·límetres”, agrega Joan Bausells.

Els qbits d'espín semiconductors són més robustos i resistents a l'efecte del medi ambient i la temperatura, precisament perquè el número de qbits integrat pot ocupar menys espai. Quant a la refrigeració del sistema, poden operar a 1° K, una temperatura considerablement baixa, però relativament més assequible que la que requereixen els qbits superconductors. Fins a la data, s'ha demostrat la viabilitat de 16 qbits d'espín semiconductors.

La computació quàntica està en fase de desenvolupament, però els avanços en semiconductors i nanofabricació acosten la possibilitat de tenir xips quàntics funcionals, integrant milions de qbits, en aplicacions reals.

Més enllà de càlculs abstractes, aquesta tecnologia podria permetre simular el comportament de molècules en organismes vius, la qual cosa facilitaria el disseny de nous tractaments mèdics personalitzats o fàrmacs. També podria aplicar-se a l'optimització de rutes logístiques en temps real, o a la modelització econòmica millorant la capacitat de preveure escenaris complexos. Fins i tot podria accelerar l'entrenament d'algorismes d'intel·ligència artificial, reduint el temps i els recursos necessaris per a processar grans volums de dades.

Com manipular i fabricar qbits d'espín?

Els qbits o bits quàntics són la unitat bàsica dels dispositius quàntics i poden contenir molta més informació que un bit clàssic. Més enllà dels estats 0 i 1 de la lògica binària, el qbit pot trobar-se en superposició quàntica, és a dir, en una combinació de tots dos estats alhora. Aquesta propietat permet realitzar càlculs de manera exponencial, un qbit representa dos estats simultanis, dos qbits són quatre, i així successivament. Recentment, la companyia IBM ha inaugurat a Sant Sebastià el supercomputador quàntic Quàntum System Two, amb un processador de fins a 156 qbits, primer de la seva classe a Europa. Al seu torn, el Barcelona Supercomputing Center (BSC) alberga el supercomputador MareNostrum 4, basat en qbits superconductors. L'objectiu de la indústria és augmentar la capacitat dels supercomputadors amb milers de qbits de manera estable per a poder realitzar més càlculs.

En el cas dels qbits d'espín basats en semiconductors, els dos estats quàntics es deuen a l'espín de l'electró. "És l'equivalent quàntic a la rotació entorn del seu eix per a una partícula clàssica, però amb dos valors possibles, com si 'girés' en sentits oposats", indica Francesc Pérez-Murano sobre l'espín; que els seus dos estats "tenen diferent energia en presència d'un camp magnètic".

"El qbit només podrem manipular-ho si controlem individualment i amb precisió l'energia d'un electró individual". Per a això, "necessitem construir un 'punt quàntic', una espècie de parany per a mantenir tancat a l'electró", apunten els investigadors Jordi Llobet i Esteve Amat, del grup NanoNEMS a l'IMB-CNM.

El confinament de l'electró, que serveix per a atrapar i controlar el qbit, és un dels grans reptes actuals. El punt ha de ser extremadament petit, de fins a 30 nanòmetres —deu vegades menys que el gruix d'un cabell humà i, per tant, imperceptible per a l'ull humà—, perquè es manifestin els efectes quàntics i els estats d'energia de l'electró siguin discrets, és a dir, es puguin separar entre si.

"Aplicant un camp magnètic, l'estat d'energia de l'electró es dividirà en els dos estats d'espín separats que formen el qbit", agreguen. Perquè es pugui distingir la separació, es requereix operar en condicions de temperatura molt baixes, menors o iguals a 1° Kelvin (equivalent a -272 °C).

De quina forma intenta l'IMB-CNM "construir" aquest punt quàntic? A través de nanoelèctrodes: “els nanoelèctrodes ens permeten confinar l'electró mitjançant voltatges elèctrics, ajustant la grandària i la ‘profunditat’ en energia del punt”, assenyala Marta Fernández-Regúlez, també investigadora del grup. Un elèctrode és un component que permet aplicar voltatges elèctrics dins d'un sistema per a controlar el comportament de partícules com els electrons. En el cas dels nanoelèctrodes, permeten la manipulació a escala quàntica.

L'equip de recerca proposa nanoelèctrodes per a ajustar la "barrera" que separa l'electró i permetre la interacció entre ells aplicant voltatges elèctrics. Per a aconseguir-ho, es necessiten molts elèctrodes en un espai molt reduït, per la qual cosa “es necessita un disseny més refinat que deixi una mica més d'espai als components”, indica Marta Fernández. En tot aquest procés, entren en joc l'experiència i capacitat acumulades en els processos de la microelectrònica convencional.

Però, quines són aquestes dimensions? Un punt quàntic pot ocupar uns 30 per 30 nanòmetres, o fins i tot menys, molt menys, per exemple, que una cèl·lula humana. Per a aconseguir la seva definició, es necessiten almenys tres elèctrodes, un en el centre del punt quàntic i dos com a barreres laterals. La realització del qbit requereix posicionar amb gran precisió cadascun d'aquests punts quàntics. Aconseguir que tots els punts siguin iguals és extremadament complicat, donades les seves petites dimensions, la qual cosa impacta en la fiabilitat dels dispositius.

"Aquestes dimensions requereixen processos extremadament avançats i precisos, comparables als utilitzats per a fabricar els transistors en els xips de 5 o 3 nanòmetres, sent aquesta última xifra la grandària mínima que ha aconseguit la indústria", indica Joan Bausells.

Fabricació a la Sala Blanca de Micro i Nanofabricació

"La necessitat de fabricar els qbits en miniatura és al seu torn un avantatge i un desafiament", agreguen. I és que a la Sala Blanca de l'IMB-CNM, node principal de la Infraestructura Científica i Tècnica Singular (ICTS) Micronanofabs, estan acostumats a fabricar circuits integrats de la grandària de la micra, capacitats que ara també s'apliquen per a “construir” els pous quàntics. No obstant això, l'escala i la necessitat de replicar els processos continuen sent complexes.

Els qbits d'espín semiconductors es duen a terme utilitzant tecnologia de silici, a vegades combinat amb capes primes de germani o de heteroestructures de silici i germani. La seva fabricació es basa en tots els desenvolupaments duts a terme per la indústria microelectrònica durant dècades i que, actualment, permet que els transistors que componen els xips d'ordinadors i mòbils tinguin dimensions crítiques d'uns pocs àtoms.

La tecnologia de circuits integrats es caracteritza pel seu alt rendiment i fiabilitat, permetent un escalat que, en el futur, ajudarà a disposar de processadors quàntics composts per milions de qbits. No obstant això, encara es necessita un major control dels processos de fabricació per a aconseguir qbits d'alta qualitat.

En aquest entorn, la Sala Blanca de l'IMB-CNM participa en diverses accions a nivell europeu que tenen per objectiu avançar en la tecnologia de fabricació. Amb l'objectiu de definir els punts quàntics mitjançant elèctrodes nanomètrics, l'IMB-CNM participa en dos projectes europeus (Qu-Pilot i l'esmentada SPINS), coordinadament amb les principals institucions d'R+D europees en microelectrònica (IMEC, CEA-Leti i VTT, entre altres), on s'estableixen línies pilot de fabricació que permetran proveir dels primers processadors quàntics de silici per a empreses europees.

D'altra banda, en una direcció més exploratòria, però amb major potencialitat per a aconseguir qbits d'excel·lent qualitat, s'està investigant la possibilitat de crear dispositius en els quals el punt quàntic sigui definit per un únic àtom. El repte aquí és aconseguir posicionar l'àtom en una localització específica i de manera prou efectiva perquè resulti pràctica la fabricació a nivell industrial. Aquí es combinen les capacitats de l'IMB-CNM amb nous processos que es duen a terme en la Universitat Politècnica Federal de Lausanne (EFPL, a Suïssa) dins del projecte SiDoQu.