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La computación cuántica promete tener un impacto dramático en áreas de aplicación seleccionadas, incluida la síntesis de materiales, el desarrollo de fármacos y la ciberseguridad.
En el modelo de computación del circuito cuántico, una puerta lógica cuántica (o simplemente puerta cuántica) es una operación fundamental en un pequeño número de qubits, equivalente a una puerta lógica clásica para los circuitos digitales tradicionales. Los qubits son los componentes básicos de los circuitos cuánticos. Se están desarrollando varias plataformas de computación cuántica con diferentes tipos de qubits y se están realizando esfuerzos globales para traerlos del laboratorio al mundo.
Una de las tecnologías prometedoras para la computación cuántica utiliza circuitos superconductores. Anton Potočnik, investigador principal en computación cuántica en IMEC, dijo: «Los estados de energía de los qubits superconductores son relativamente fáciles de controlar y, a lo largo de los años, los investigadores han podido acoplar una cantidad cada vez mayor de qubits. Esto permite un entrelazamiento cada vez mayor, que es uno de los pilares de la computación cuántica.
«Además, grupos de investigación de todo el mundo han demostrado qubits superconductores con largos tiempos de coherencia de hasta varios 100 µs y una precisión de puerta suficientemente alta, dos puntos de referencia importantes para las computadoras cuánticas», agregó.
Mientras que el tiempo de coherencia nos brinda información sobre cuánto tiempo un qubit retiene su estado cuántico (y, por lo tanto, su información), la fidelidad de la puerta cuantifica la diferencia en el funcionamiento entre una puerta ideal y la puerta física correspondiente en el hardware cuántico.
Los problemas de variabilidad impiden la implementación generalizada
Los resultados alentadores mencionados anteriormente solo se han logrado hasta ahora a escala de laboratorio, utilizando técnicas de evaporación y despegue de doble ángulo para fabricar el elemento más crítico: la unión de Josephson. “El qubit superconductor es esencialmente un circuito resonador LC no lineal que contiene un inductor no lineal [L] y un condensador [C]dijo Potocnik. “La unión de Josephson asume el papel de un inductor no lineal y que no se disipa que nos permite manipular los estados de energía de los cúbits para representar, por ejemplo, una superposición de 10> y 11>. Para minimizar las pérdidas de energía, es decir, para maximizar el tiempo de coherencia, las distintas interfaces incluidas en las estructuras que forman la unión y el condensador deben estar lo más limpias posible. Incluso un defecto atómico en una de las interfaces puede hacer que el qubit pierda energía. Debido a esto, la evaporación de doble ángulo y el despegue son las técnicas de fabricación preferidas: pueden proporcionar estas interfaces extremadamente limpias”.
Pero estas técnicas de fabricación tienen un serio inconveniente: desafían una mayor ampliación a un mayor número de qubits. La implementación a gran escala se ve obstaculizada por la variabilidad en la energía de Josephson de la unión vaporizada. Además, la técnica de fabricación limita la elección del material superconductor y, por lo tanto, el potencial de mejora del qubit.
Un enfoque alternativo
Jeroen Verjauw, Ph.D. Los investigadores de Imec dijeron: “Nuestro equipo en Imec ha estado investigando formas alternativas de fabricar los circuitos superconductores. Nuestro enfoque se ha centrado en crear las denominadas uniones Josephson superpuestas utilizando solo materiales y técnicas compatibles con CMOS, ya que esto permite explotar la confiabilidad y la reproducibilidad que ofrecen los pasos de procesamiento CMOS de última generación para controlar la variabilidad y facilitar la ampliación».
Las uniones traslapadas tienen dos electrodos, inferior y superior, separados por una fina capa de aislante. Los electrodos se definen en dos ciclos de patrón con una pausa de vacío en el medio. La rotura conduce a un crecimiento descontrolado de óxido de metal nativo, que debe eliminarse durante el llamado paso de molienda Ar. «Sin embargo, se sabe que este paso de molienda Ar es muy crítico y se ha informado anteriormente que implica pérdidas de energía no deseadas», agregó Verjauw.
Tiempos de coherencia de hasta 100 µs, fidelidad de puerta del 99,94 %
Tsvetan Ivanov, investigador de Imec, dijo: “Hemos demostrado en nuestro laboratorio qubits superconductores con tiempos de coherencia superiores a 100 µs y una precisión promedio de puerta de qubit único del 99,94%. Estos resultados son comparables a los dispositivos de última generación, pero se lograron por primera vez utilizando técnicas de fabricación compatibles con CMOS como B. deposición por pulverización catódica y grabado sustractivo de última generación. Estos resultados revolucionarios se consiguieron mejorando el método conocido de hacer las juntas traslapadas. Las mejoras incluyen la optimización del proceso para reducir la cantidad de pasos e interfaces del proceso y, por lo tanto, el riesgo de pérdidas de energía, un paso de fresado Ar mejorado y el uso exclusivo de aluminio para fabricar los electrodos”.
Algunos próximos pasos
Nuestros experimentos descritos en NPJ Quantum Information hasta ahora solo se han realizado en un entorno de laboratorio en muestras de sustrato. «Sin embargo, el método de fabricación presentado anuncia un hito importante hacia un proceso CMOS de 300 mm fabricable para qubits superconductores de alta calidad», dijo Ivanov. “En un futuro próximo trasladaremos la producción de estos circuitos superconductores a la fábrica de 300 mm de imec. Tenemos curiosidad por ver si los tiempos de alta coherencia se pueden reproducir en sustratos de obleas más grandes”.
«También hemos diseñado nuestros vehículos de prueba para que podamos investigar de dónde provienen las pérdidas de energía», agrega Verjauw. “Los primeros resultados han demostrado que las pérdidas ocurren principalmente en la superficie exterior de la estructura y no en el nivel crítico de conexión. Esto es alentador, ya que deja espacio para la optimización mediante la aplicación de pasos de tratamiento de superficie más especializados. Y finalmente, nuestro método de fabricación ofrece una forma de producir qubits reproducibles en un área de oblea grande con poca variación, por ejemplo, en la frecuencia de qubits”.
Sin embargo, existen otros obstáculos en el camino hacia las computadoras cuánticas prácticas basadas en la superconductividad. Potočnik concluyó: “Los qubits superconductores siguen siendo relativamente grandes [millimeter-sized] en comparación con, por ejemplo, los qubits de espín semiconductores [nanometer-sized]. Estamos investigando cómo podemos seguir reduciendo los dispositivos. También se están haciendo muchos esfuerzos en el lado algorítmico. Los qubits que fabricamos hoy no son ideales, por lo que se está realizando un enorme esfuerzo desde el punto de vista teórico para desarrollar algoritmos que sean más resistentes a las pérdidas y los errores y para desarrollar protocolos de corrección de errores cuánticos. Además, nuestra comunidad necesitará instrumentos escalables y altamente calibrados para comunicarse, controlar y leer resultados significativos del creciente número de qubits superconductores”.
Conclusión y perspectiva
El trabajo de Anton, Tsvetan, Jeroen y sus compañeros de trabajo es un hito crucial para superar las barreras fundamentales para mejorar los qubits superconductores debido a las ventajas de control y fidelidad de los métodos de procesamiento estándar de la industria.
Dado que es probable que los futuros procesadores cuánticos requieran de miles a millones de qubits físicos, será crucial superar la variabilidad y las limitaciones de bajo rendimiento. Por lo tanto, Imec invierte significativamente en comprender y comparar estas limitaciones e introducir soluciones novedosas que aprovechan nuestra experiencia en control de procesos avanzado.
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