First meeting of the new European pilot initiative for the development of semiconductor-based quantum technology

Quantum technology is a rapidly growing field of research due to its potential to revolutionize society. Through phenomena such as quantum superposition, it will enable the development of devices with capabilities that are currently unimaginable, surpassing those of conventional technology. The European Union, through initiatives to strengthen technological sovereignty under the Chips Joint Undertaking, launched a new pilot program in April to explore the potential of semiconductor-based quantum devices, known as SPINS.

The Institute of Microelectronics of Barcelona (IMB-CNM), a CSIC-affiliated center, is the Spanish research center with the greatest involvement in SPINS. The company Quantum Motion Spain and the CIC Nanogune center are the other Spanish members. Coordinated by IMEC from Belgium, the pilot line formally met for the first time yesterday, May 11, at IMEC’s headquarters in Leuven. With SPINS, the IMB-CNM officially participates in three of the pilot lines launched by the EU as part of its strategy to strengthen technological sovereignty, in addition to the two Spanish centers of excellence, and consolidates the CSIC’s role in the new European chip ecosystem.

Below we reproduce an original article from the magazine CSIC Investiga #10 Cuántica, which explores how this technology works.

Creating quantum dots using microelectronic technology

Approaches to quantum development often involve rethinking design and manufacturing methodologies, as many current systems lack the capacity to produce such devices. However, the new pilot project proposes to advance a solution that prioritizes efficiency: developing quantum technology based on semiconductors. Thus, the manufacturing methods standardized over decades by the microelectronics industry—which produces chips—could be applied to the creation of quantum devices. The IMB-CNM has a research group dedicated to this.

“We focus on the fabrication of semiconductor-based spin qubits using silicon MOS transistor technology, which is available at the IMB-CNM,” explain Francesc Pérez Murano and Joan Bausells, CSIC research professors at the IMB-CNM and leaders of this line of technological research in Spain. MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) transistor technology is the manufacturing standard in the microelectronics industry, used to manufacture the vast majority of chips that make up computers and electronic devices.

The NEMS and Nanofabrication Group (NanoNEMS) at IMB-CNM is working on the development of platforms that combine advanced nanomanufacturing techniques to create scalable quantum devices. All of this takes place in the IMB-CNM's Micro and Nanofabrication Clean Room, where the temperature, humidity, and even the number of airborne particles are strictly controlled. In this case, it contains between 100 and 10,000 particles per cubic foot, compared to a hospital operating room, which has around 35,000, or a normal room, which typically exceeds one million.

Conditions such as temperature, pressure, and air exchange rate are kept constant to ensure that processes can be carried out identically in each circuit, since components of minute dimensions (micro- and nanoscale) are being manufactured. All of this is done to produce integrated circuits (chips), sensors, actuators, and detectors, among other devices.

Por qué los cúbits semiconductores pueden ser el futuro de la cuántica

Tanto los cúbits semiconductores como los superconductores pueden fabricarse aprovechando plataformas de microelectrónica ya existentes. Existen también otras tecnologías, como los cúbits de iones atrapados o los cúbits fotónicos, cada uno con sus propios desafíos y características. A diferencia de los anteriores, estos no utilizan necesariamente procesos de microelectrónica convencional, ya que dependen de sistemas ópticos o campos electromagnéticos.

Los cúbits superconductores son actualmente los más avanzados en cuanto a aplicación práctica. Sin embargo, presentan una limitación importante: su tamaño. Con dimensiones que oscilan entre las 10 y 100 micras –muy grandes en términos de microelectrónica–, su integración en chips con miles de cúbits resulta compleja. Por eso, tecnologías como los cúbits de espín en semiconductores, más compactos y compatibles con procesos industriales, están ganando protagonismo en la carrera por la escalabilidad.

Por su parte, los cúbits de espín permiten diseñar de forma más compacta y operar en condiciones menos exigentes, “un procesador cuántico con millones de cúbits de espín semiconductores se podría integrar en un chip de dimensiones habituales, 10 por 10 milímetros”, agrega Joan Bausells.

Los cúbits de espín semiconductores son más robustos y resistentes a los efectos del medio ambiente y la temperatura, precisamente porque el número de cúbits integrado puede ocupar menos espacio. En cuanto a la refrigeración del sistema, pueden operar a 1º K, una temperatura considerablemente baja, pero relativamente más asequible que la que requieren los cúbits superconductores. Hasta la fecha, se ha demostrado la viabilidad de 16 cúbits de espín semiconductores.

La computación cuántica está en fase de desarrollo, pero los avances en semiconductores y nanofabricación acercan la posibilidad de tener chips cuánticos funcionales, integrando millones de cúbits, en aplicaciones reales.

Más allá de cálculos abstractos, esta tecnología podría permitir simular el comportamiento de moléculas en organismos vivos, lo que facilitaría el diseño de nuevos tratamientos médicos personalizados o fármacos. También podría aplicarse a la optimización de rutas logísticas en tiempo real, o a la modelización económica mejorando la capacidad de prever escenarios complejos. Incluso podría acelerar el entrenamiento de algoritmos de inteligencia artificial, reduciendo el tiempo y los recursos necesarios para procesar grandes volúmenes de datos.

¿Cómo manipular y fabricar cúbits de espín?

Los cúbits o bits cuánticos son la unidad básica de los dispositivos cuánticos y pueden contener mucha más información que un bit clásico. Más allá de los estados 0 y 1 de la lógica binaria, el cúbit puede encontrarse en superposición cuántica, es decir, en una combinación de ambos estados a la vez. Esta propiedad permite realizar cálculos de forma exponencial, un cúbit representa dos estados simultáneos, dos cúbits son cuatro, y así sucesivamente. Recientemente, la compañía IBM ha inaugurado en San Sebastián el superordenador cuántico Quantum System Two, con un procesador de hasta 156 cúbits, primero de su clase en Europa. A su vez, el Barcelona Supercomputing Center (BSC) alberga el superordenador MareNostrum 4, basado en cúbits superconductores. El objetivo de la industria es aumentar la capacidad de los superordenadores con miles de cúbits de forma estable para poder realizar más cálculos.

En el caso de los cúbits de espín basados en semiconductores, los dos estados cuánticos se deben al espín del electrón. “Es el equivalente cuántico a la rotación en torno a su eje para una partícula clásica, pero con dos valores posibles, como si ‘girara’ en sentidos opuestos”, indica Francesc Pérez-Murano sobre el espín; cuyos dos estados “tienen diferente energía en presencia de un campo magnético”.

"El cúbit solo podremos manipularlo si controlamos individualmente y con precisión la energía de un electrón individual". Para ello, "necesitamos construir un 'punto cuántico', una especie de trampa para mantener encerrado al electrón", apuntan los investigadores Jordi Llobet y Esteve Amat, del grupo NanoNEMS en el IMB-CNM.

El confinamiento del electrón, que sirve para atrapar y controlar el cúbit, es uno de los grandes retos actuales. El punto debe ser extremadamente pequeño, de hasta 30 nanómetros —diez veces menos que el grosor de un cabello humano y, por lo tanto, imperceptible para el ojo humano—, para que se manifiesten los efectos cuánticos y los estados de energía del electrón sean discretos, es decir, se puedan separar entre sí.

“Aplicando un campo magnético, el estado de energía del electrón se dividirá en los dos estados de espín separados que forman el cúbit”, agregan. Para que se pueda distinguir la separación, se requiere operar en condiciones de temperatura muy bajas, menores o iguales a 1º Kelvin (equivalente a -272º C).

¿De qué forma intenta el IMB-CNM “construir” ese punto cuántico? A través de nanoelectrodos: “los nanoelectrodos nos permiten confinar el electrón mediante voltajes eléctricos, ajustando el tamaño y la ‘profundidad’ en energía del punto”, señala Marta Fernández-Regúlez, también investigadora del grupo. Un electrodo es un componente que permite aplicar voltajes eléctricos dentro de un sistema para controlar el comportamiento de partículas como los electrones. En el caso de los nanoelectrodos, permiten la manipulación a escala cuántica.

El equipo de investigación propone nanoelectrodos para ajustar la “barrera” que separa el electrón y permitir la interacción entre ellos aplicando voltajes eléctricos. Para lograrlo, se necesitan muchos electrodos en un espacio muy reducido, por lo que “se necesita un diseño más refinado que deje un poco más de espacio a los componentes”, indica Marta Fernández. En todo este proceso, entran en juego la experiencia y capacidad acumuladas en los procesos de la microelectrónica convencional.

Pero, ¿cuáles son estas dimensiones? Un punto cuántico puede ocupar unos 30 por 30 nanómetros, o incluso menos, mucho menos, por ejemplo, que una célula humana. Para conseguir su definición, se necesitan al menos tres electrodos, uno en el centro del punto cuántico y dos como barreras laterales. La realización del cúbit requiere posicionar con gran precisión cada uno de estos puntos cuánticos. Conseguir que todos los puntos sean iguales es extremadamente complicado, dadas sus pequeñas dimensiones, lo que impacta en la fiabilidad de los dispositivos.

"Estas dimensiones requieren procesos extremadamente avanzados y precisos, comparables a los utilizados para fabricar los transistores en los chips de 5 o 3 nanómetros, siendo esta última cifra el tamaño mínimo que ha alcanzado la industria", indica Joan Bausells.

Fabricación en la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación

"La necesidad de fabricar los cúbits en miniatura es a su vez una ventaja y un desafío", agregan. Y es que en la Sala Blanca del IMB-CNM, nodo principal de la Infraestructura Científica y Técnica Singular (ICTS) Micronanofabs, están acostumbrados a fabricar circuitos integrados del tamaño de la micra, capacidades que ahora también se aplican para “construir” los pozos cuánticos. Sin embargo, la escala y la necesidad de replicar los procesos siguen siendo complejas.

Los cúbits de espín semiconductores se llevan a cabo utilizando tecnología de silicio, en ocasiones combinado con capas delgadas de germanio o de heteroestructuras de silicio y germanio. Su fabricación se basa en todos los desarrollos llevados a cabo por la industria microelectrónica durante décadas y que, actualmente, permite que los transistores que componen los chips de ordenadores y móviles tengan dimensiones críticas de unos pocos átomos.

La tecnología de circuitos integrados se caracteriza por su alto rendimiento y fiabilidad, permitiendo un escalado que, en el futuro, ayudará a disponer de procesadores cuánticos compuestos por millones de cúbits. Sin embargo, todavía se necesita un mayor control de los procesos de fabricación para conseguir cúbits de alta calidad.

En este entorno, la Sala Blanca del IMB-CNM participa en varias acciones a nivel europeo que tienen por objetivo avanzar en la tecnología de fabricación. Con el objetivo de definir los puntos cuánticos mediante electrodos nanométricos, el IMB-CNM participa en dos proyectos europeos (Qu-Pilot y la mencionada SPINS), coordinadamente con las principales instituciones de I+D europeas en microelectrónica (IMEC, CEA-Leti y VTT, entre otros), donde se establecen líneas piloto de fabricación que permitirán proveer de los primeros procesadores cuánticos de silicio para empresas europeas.

Por otro lado, en una dirección más exploratoria, pero con mayor potencialidad para conseguir cúbits de excelente calidad, se está investigando la posibilidad de crear dispositivos en los cuales el punto cuántico sea definido por un único átomo. El reto aquí es conseguir posicionar el átomo en una localización específica y de manera suficientemente efectiva para que resulte práctica la fabricación a nivel industrial. Aquí se combinan las capacidades del IMB-CNM con nuevos procesos que se llevan a cabo en la Universidad Politécnica Federal de Lausanne (EFPL, en Suiza) dentro del proyecto SiDoQu.