Método innovador del IMB-CNM permite fabricar cúbits semiconductores con procesos estándar de microelectrónica

Personal investigador del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC) ha desarrollado un método innovador para la fabricación de cúbits semiconductores. Este avance, actualmente en proceso de evaluación para patente europea, propone una técnica de fabricación compatible con los procesos estándar de la industria de los semiconductores, lo que podría facilitar la escalabilidad necesaria para que la computación cuántica alcance su pleno potencial.

Esta computación promete resolver problemas inabordables para los superordenadores actuales. La clave está en los cúbits, la unidad básica de computación cuántica. Mientras que el bit tradicional solo puede representar un 0 o un 1, el cúbit puede estar en muchos estados a la vez gracias a las propiedades de la mecánica cuántica. Esta superposición permite procesar enormes cantidades de información en paralelo, frente a la aproximación “uno a uno” de los bits en ordenadores tradicionales. Esto abriría la puerta a desafíos complejos en simulaciones químicas, nuevos materiales y optimización financiera, entre otros.

Para desarrollar todo este potencial, se estima que los ordenadores cuánticos necesitarán decenas de miles de cúbits. Actualmente, se ha conseguido alcanzar la cifra de pocos centenares de cúbits. Para alcanzar densidades de integración superiores, es esencial contar con plataformas tecnológicas que permitan una alta densidad e integración, y ahí es donde los cúbits semiconductores juegan un papel clave.

A diferencia de otras tecnologías, como los cúbits superconductores, los cúbits basados en semiconductores tienen un tamaño mucho menor —a escala nanométrica en vez de milimétrica— y pueden fabricarse con materiales como silicio o germanio, ampliamente utilizados y dominados por la industria electrónica. Esto los convierte en una opción prometedora para escalar la fabricación de procesadores cuánticos utilizando infraestructuras ya existentes.

En este contexto, un equipo del IMB-CNM encabezado por los investigadores Marta Fernández, Joan Bausells y Francesc Pérez-Murano han desarrollado un nuevo proceso de fabricación de cúbits semiconductores basados en tecnología CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico), que permite alcanzar resoluciones nanométricas mediante una combinación de técnicas de fabricación avanzadas. 

El método combina técnicas top-down, como la litografía por haz de electrones, con enfoques bottom-up, en particular, el autoensamblaje dirigido de copolímeros en bloque. Estos copolímeros están compuestos por una mezcla de dos bloques poliméricos diferentes, cuya clave radica en que sus cadenas pueden separarse y organizarse espontáneamente en patrones bien definidos, como líneas o círculos. Mediante guías litográficas, es posible dirigir este autoensamblaje para formar estructuras precisas en el chip. A continuación, uno de los bloques se elimina selectivamente y el otro se emplea como máscara para transferir el patrón al material. Este proceso ofrece una precisión y resolución por debajo de los 10 nanómetros, necesaria para la fabricación de cúbits. Propone una alternativa a las técnicas convencionales de alta resolución necesarias para llegar a esas dimensiones, como la litografía óptica en el ultravioleta extremo (EUV), que requieren instrumental altamente costoso. En palabras de Marta Fernández, se trata de “un proceso de fabricación de cúbits preciso, económico y escalable compatible con la actual industria de semiconductores”.

El desarrollo forma parte del proyecto Pilot4QTech y se engloba dentro de los proyectos europeos QuPilot (Supporting experimental Capabilities for Quantum Technologies), donde el CSIC participa junto con los centros más importantes de nanoelectrónica de Europa (IMEC, CEA-LETI, VTT, entre otros) y los proyectos SiDoQu (Nanopatterning and Polymeric Precision Doping: towards single dopant quantum devices) y DoNQu (Deterministic Doping for Nanoelectronics and Quantum Devices). En estos últimos se reúnen varios centros de investigación como son EPFL, University of Basel, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Università del Piemonte Orientale e Imperial College London para explorar tecnologías que hagan posible una computación cuántica práctica y escalable, así como del proyecto QuantumTech financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. 

Con esta innovación, el IMB-CNM da un paso más hacia el futuro de la computación, acercando las promesas de la tecnología cuántica a su aplicación real en los grandes retos científicos del siglo XXI. Además, este avance formará parte de la línea piloto europea de procesadores cuánticos basados en semiconductores recientemente aprobada. 

La iniciativa forma parte de la Plataforma de Tecnologías Cuánticas del CSIC, que genera un ecosistema constituido por más de 40 grupos de investigación.

Izquierda: oblea processada con cúbits semiconductores. Derecha. Detalles del circuito.