Las computadoras cuánticas prometen afectar dramáticamente los campos de aplicación seleccionados, incluida la síntesis de materiales, el desarrollo de fármacos y la ciberseguridad, por nombrar algunos.

En el modelo de computación del circuito cuántico, una puerta lógica cuántica (o simplemente puerta cuántica) es una operación básica en un pequeño número de qubits, que es análoga a una puerta lógica clásica para circuitos digitales convencionales. Los qubits son los componentes básicos de los circuitos cuánticos. Se están desarrollando diferentes plataformas de computación cuántica con diversos tipos de qubits y se están realizando esfuerzos en todo el mundo para traerlos del laboratorio al mundo.

Una de las tecnologías prometedoras para la computación cuántica hace uso de circuitos superconductores. Anton Potočnik, investigador sénior en computación cuántica en IMEC, dice:"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 un número cada vez mayor de qubits. Esto permite una nivel más alto de entrelazamiento, que es uno de los pilares de la computación cuántica. Además, grupos de investigación de todo el mundo han demostrado qubits superconductores con tiempos de coherencia prolongados (hasta varios 100 µs) y fidelidades de puerta suficientemente altas, dos puntos de referencia importantes para la computación cuántica. ."

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.

Implementación a gran escala obstaculizada por problemas de variabilidad

Los alentadores resultados mencionados anteriormente solo se han obtenido 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)", explica Anton Potočnik.

"La unión de Josephson asume el papel de un inductor no lineal que no se disipa, lo que nos permite manipular los estados de energía de los cúbits para representar, por ejemplo, una superposición de 10> y 11>. Para minimizar cualquier pérdida de energía o, en En otras palabras, maximizar el tiempo de coherencia, las diversas interfaces contenidas en las estructuras que componen la unión y el condensador deben estar lo más limpias posible. Incluso un defecto atómico presente en una de las interfaces puede hacer que el qubit pierda energía. Y es por eso que 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 mejora hacia un mayor número de qubits. La implementación a gran escala se ve obstaculizada por la variabilidad en la energía de Josephson de la unión evaporada. Además, la técnica de fabricación limita la elección del material superconductor y, por lo tanto, el potencial de mejora del qubit.

Un enfoque alternativo que utiliza técnicas de fabricación compatibles con CMOS

Jeroen Verjauw, Ph.D. investigador en IMEC, dice:"Nuestro equipo en IMEC ha explorado formas alternativas de fabricar los circuitos superconductores. Nuestro enfoque estaba en crear las llamadas uniones de Josephson superpuestas utilizando solo materiales y técnicas compatibles con CMOS, ya que esto permite aprovechar la confiabilidad y reproducibilidad ofrecida mediante pasos de procesamiento CMOS de última generación para controlar la variabilidad y facilitar la ampliación".

Las uniones superpuestas tienen dos electrodos (inferior (BE) y superior (TE)) separados por una fina capa aislante. Los electrodos se definen en dos ciclos de patrón, con una ruptura de vacío en el medio. La ruptura introduce 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 fresado Ar es muy crítico y se ha informado anteriormente que introduce pérdidas de energía no deseadas", agrega Jeroen Verjauw.

Tiempos de coherencia de hasta 100 µs, fidelidad de puerta del 99,94 %

Tsvetan Ivanov, investigador de IMEC, dice:"Hemos demostrado en nuestro laboratorio qubits superconductores con tiempos de coherencia superiores a 100 µs y una fidelidad de puerta de un solo qubit promedio del 99,94%. Estos resultados son comparables con los dispositivos de última generación. pero, por primera vez, se han obtenido utilizando técnicas de fabricación compatibles con CMOS, como la deposición por pulverización catódica de última generación y el grabado sustractivo.Estos resultados innovadores podrían lograrse mejorando el proceso conocido para hacer las uniones superpuestas. 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 mejorado de fresado Ar y el uso exclusivo de aluminio (Al) para fabricar los electrodos".

Los próximos pasos:fabricación de 300 mm, reducción de pérdidas y abordaje de la reproducibilidad

Nuestros experimentos descritos en NPJ Quantum Information hasta ahora solo se han logrado en un entorno de laboratorio, en muestras de sustrato. Tsvetan Ivanov:"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. Pronto, transferiremos la fabricación de estos circuitos superconductores a la fábrica de 300 mm de IMEC. Estamos ansiosos por verificar si el los tiempos de alta coherencia se pueden reproducir en sustratos de obleas más grandes".

Jeroen Verjauw:"Además, diseñamos nuestros vehículos de prueba de modo que podamos estudiar de dónde provienen las pérdidas de energía. Los primeros resultados han indicado que las pérdidas ocurren principalmente en la superficie exterior de la estructura, y no en el nivel de la unión crítica. Esto es alentador, ya que deja espacio para la optimización mediante la aplicación de pasos de tratamiento de superficie más dedicados. Y, finalmente, nuestro método de fabricación proporciona un camino hacia la fabricación de qubits reproducibles en un área de oblea grande, con una baja variación, por ejemplo, en la frecuencia de qubits".

Sin embargo, existen otros obstáculos en el camino hacia las computadoras cuánticas prácticas basadas en superconductores. Anton Potočnik concluye:"Los qubits superconductores siguen siendo relativamente grandes (tamaño mm) en comparación con, por ejemplo, los qubits de espín semiconductores (tamaño nm). Investigamos cómo podemos reducir aún más los dispositivos. También se están realizando muchos esfuerzos en el lado algorítmico. Los qubits que hacemos hoy no son ideales, por lo que hay un gran 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 de eso, nuestra comunidad necesitará escalables, instrumentación muy bien calibrada para interactuar con el creciente número de qubits superconductores, para controlarlos y leer resultados significativos".

Conclusión y perspectivas

Kristiaan De Greve, director del programa de computación cuántica en IMEC, ve este trabajo de Anton, Tsvetan, Jeroen y sus compañeros de trabajo como un hito crucial para poder superar las barreras fundamentales para la mejora de los qubits superconductores en virtud de los beneficios de control y precisión de la industria. métodos de procesamiento estándar:"Dado que probablemente se requerirán muchos miles o millones de qubits físicos para los procesadores cuánticos del futuro, será crucial superar las limitaciones debido a la variabilidad y el bajo rendimiento. Por lo tanto, IMEC invierte significativamente en comprender y comparar estas limitaciones e introducir nuevos soluciones que aprovechan nuestra experiencia en control avanzado de procesos".

Danny Wan, gerente del programa de computación cuántica en IMEC, agrega:"Dentro del programa de IMEC sobre computación cuántica, nuestros científicos se han propuesto el desafío de llevar la computación cuántica (basada tanto en semiconductores como en superconductores) del laboratorio al mundo. Resultados como se describe en NPJ Quantum Information es extremadamente alentador y confirma que estamos en el camino correcto para cumplir con nuestra misión".

El estudio se publica en npj Quantum Information . + Explora más

Un qubit superconductor alternativo logra un alto rendimiento para la computación cuántica