Mètode innovador de l'IMB-CNM permet fabricar qbits semiconductors amb processos estàndard de microelectrònica
Un nou mètode, desenvolupat per investigadors de l’IMB-CNM, permet fabricar bits quàntics semiconductors amb alta precisió i baix cost, amb potencial per a la producció industrial.
Personal investigador de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC) ha desenvolupat un mètode innovador per a la fabricació de bits quàntics semiconductors. Aquest avenç, actualment en procés d’avaluació per a una patent europea, proposa una tècnica de fabricació compatible amb els processos estàndards de la indústria dels semiconductors, cosa que podria facilitar l’escalabilitat necessària perquè la computació quàntica assoleixi tot el seu potencial.
La computació quàntica promet resoldre problemes que avui dia són inabastables per als superordinadors convencionals. La clau són els qbits, la seva unitat bàsica. A diferència del bit tradicional, que només pot representar un 0 o un 1, el qbit pot trobar-se en múltiples estats simultàniament gràcies a les propietats de la mecànica quàntica. Aquesta superposició permet processar grans quantitats d’informació en paral·lel, superant l’enfocament seqüencial dels ordinadors clàssics. Això obre la porta a afrontar reptes complexos com les simulacions químiques, el disseny de nous materials o l’optimització financera.
Per arribar a aquest potencial, es calcula que els ordinadors quàntics necessitaran desenes de milers de qubits. Actualment, només s’han assolit xifres de pocs centenars. Per aconseguir una integració més elevada, calen plataformes tecnològiques que permetin una alta densitat i escalabilitat, i aquí és on els bits quàntics semiconductors poden jugar un paper clau.
A diferència d’altres tipologies, com els qbits superconductors, els qbits semiconductors tenen una mida molt menor —a escala nanomètrica en lloc de mil·limètrica— i poden fabricar-se amb materials com el silici o el germani, àmpliament utilitzats i dominats per la indústria de la microelectrònica. Això els converteix en una opció prometedora per escalar la fabricació de processadors quàntics utilitzant infraestructures ja existents.
En aquest context, un equip de l'IMB-CNM liderat pels investigadors Marta Fernández, Joan Bausells i Francesc Pérez-Murano ha desenvolupat un nou procés de fabricació de qubits semiconductors basats en tecnologia CMOS (semiconductor complementari d'òxid metàl·lic), que permet assolir resolucions nanomètriques combinant tècniques avançades de fabricació.
El mètode combina enfocaments top-down, com la litografia per feix d’electrons, amb tècniques bottom-up, especialment l'autoensamblatge dirigit de copolímers en bloc. Aquests copolímers estan formats per dues cadenes polimèriques diferents, capaces de separar-se i organitzar-se espontàniament en patrons ben definits, com línies o cercles. Mitjançant guies litogràfiques, es pot dirigir aquest autoensamblatge per formar estructures precises al xip. A continuació, s’elimina selectivament un dels blocs i l’altre s’utilitza com a màscara per transferir el patró al material. Aquest procés ofereix una precisió i resolució per sota dels 10 nanòmetres, essencial per a la fabricació de qubits, i es presenta com una alternativa més assequible a tècniques convencionals com la litografia òptica en ultraviolat extrem (EUV), que requereixen equipament altament costós.
Segons Marta Fernández, es tracta "d'un procés de fabricació de qubits precís, econòmic i escalable, compatible amb la indústria actual de semiconductors".
El desenvolupament forma part del projecte Pilot4QTech i s’integra dins dels projectes europeus QuPilot (Supporting experimental Capabilities for Quantum Technologies), en què el CSIC participa juntament amb centres capdavanters de nanoelectrònica com IMEC, CEA-LETI o VTT. També forma part dels projectes SiDoQu (Nanopatterning and Polymeric Precision Doping: towards single dopant quantum devices) i DoNQu (Deterministic Doping for Nanoelectronics and Quantum Devices), amb la participació d’institucions com l’EPFL, la Universitat de Basilea, el Consiglio Nazionale delle Ricerche, la Università del Piemonte Orientale i l’Imperial College London. A més, també s’emmarca en el projecte QuantumTech, finançat pel Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats.
Amb aquesta innovació, l'IMB-CNM fa un pas més cap al futur de la computació, acostant les promeses de la tecnologia quàntica a la seva aplicació real en els grans reptes científics del segle XXI. A més, aquest avenç formarà part de la línia pilot europea de processadors quàntics basats en semiconductors recentment aprovada.
Aquesta iniciativa s’emmarca dins de la Plataforma de Tecnologies Quàntiques del CSIC, que impulsa un ecosistema format per més de 40 grups de recerca.
Esquerra: oblia processada amb qbits semiconductors. Dreta: Detalls del circuit.