Las computadoras cuánticas prometen ser capaces de resolver rápidamente problemas extremadamente complejos que la supercomputadora más poderosa del mundo podría tardar décadas en resolver.
Pero lograr ese rendimiento implica construir un sistema con millones de bloques de construcción interconectados llamados qubits. Crear y controlar tantos qubits en una arquitectura de hardware es un desafío enorme que los científicos de todo el mundo se esfuerzan por afrontar.
Con este objetivo, investigadores del MIT y MITRE han demostrado una plataforma de hardware modular escalable que integra miles de qubits interconectados en un circuito integrado personalizado. Esta arquitectura de «sistema cuántico en chip» (QSoC) permite a los investigadores sintonizar y controlar con precisión una densa variedad de qubits. Se podrían conectar varios chips mediante redes ópticas para crear una red de comunicación cuántica a gran escala.
Al sintonizar qubits en 11 canales de frecuencia, esta arquitectura QSoC permite proponer un nuevo protocolo de «multiplexación por entrelazamiento» para la computación cuántica a gran escala.
El equipo pasó años perfeccionando un intrincado proceso para fabricar matrices bidimensionales de microchiplets qubit del tamaño de un átomo y transferir miles de ellos a un chip semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS) cuidadosamente preparado. Esta transferencia se puede realizar en un solo paso.
«Necesitaremos una gran cantidad de qubits y un gran control sobre ellos para aprovechar realmente el poder de un sistema cuántico y hacerlo útil. Estamos proponiendo una arquitectura completamente nueva y una tecnología de fabricación que pueda soportar los requisitos de escalabilidad de un hardware. para un ordenador cuántico», afirma Linsen Li, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática (EECS) y autor principal de un artículo sobre esta arquitectura.
Los coautores de Li incluyen a Ruonan Han, profesor asociado en EECS, líder del Grupo de Electrónica Integrada Terahertz y miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE); el autor principal Dirk Englund, profesor de EECS, investigador principal del Grupo de Fotónica Cuántica e Inteligencia Artificial y de RLE; así como otros en el MIT, la Universidad de Cornell, el Instituto de Tecnología de Delft, el Laboratorio de Investigación del Ejército y la Corporación MITRE. El documento aparece en Naturaleza.
Microchiplets de diamante
Si bien existen muchos tipos de qubits, los investigadores optaron por utilizar centros de color de diamantes debido a sus ventajas de escalabilidad. Anteriormente utilizaron estos qubits para producir chips cuánticos integrados con circuitos fotónicos.
Los qubits fabricados a partir de centros de color de diamantes son «átomos artificiales» que transportan información cuántica. Dado que los centros de color de diamantes son sistemas de estado sólido, la fabricación de qubits es compatible con los procesos modernos de fabricación de semiconductores. También son compactos y tienen tiempos de coherencia relativamente largos, lo que se refiere a la cantidad de tiempo que el estado de un qubit permanece estable, debido al entorno limpio que proporciona el material de diamante.
Además, los centros de color de diamantes tienen interfaces fotónicas que les permiten entrelazarse o conectarse de forma remota con otros qubits que no están adyacentes a ellos.
«La suposición convencional en este campo es que la falta de homogeneidad del centro de color del diamante es un inconveniente en comparación con la memoria cuántica idéntica, como los iones y los átomos neutros. Sin embargo, convertimos este desafío en una ventaja al aceptar la diversidad de los átomos artificiales: cada átomo tiene su propia frecuencia espectral, lo que nos permite comunicarnos con átomos individuales mediante un voltaje que los sintoniza en resonancia con un láser, de forma muy parecida a sintonizar el dial de una radio diminuta», dice Englund.
Esto es especialmente difícil porque los investigadores deben lograrlo a gran escala para compensar la falta de homogeneidad de los qubits en un sistema grande.
Para comunicarse a través de qubits, necesitan tener varias «radios cuánticas» marcadas en el mismo canal. Lograr esta condición se vuelve casi seguro cuando se escala a miles de qubits. Con este fin, los investigadores superaron ese desafío integrando una gran variedad de qubits centrales de color diamante en un chip CMOS que proporciona los diales de control. Al chip se le puede incorporar una lógica digital incorporada que reconfigura rápida y automáticamente los voltajes, permitiendo que los qubits alcancen una conectividad total.
«Esto compensa la naturaleza no homogénea del sistema. Con la plataforma CMOS, podemos sintonizar rápida y dinámicamente todas las frecuencias de los qubits», explica Li.
Fabricación de bloqueo y liberación
Para construir este QSoC, los investigadores desarrollaron un proceso de fabricación para transferir «microchiplets» del centro de color de diamante a una placa posterior CMOS a gran escala.
Comenzaron fabricando una serie de microchiplets centrales de color diamante a partir de un bloque sólido de diamante. También diseñaron y fabricaron antenas ópticas a nanoescala que permiten una recolección más eficiente de los fotones emitidos por estos qubits centrales de color en el espacio libre.
Luego, diseñaron y mapearon el chip de la fundición de semiconductores. Trabajando en la sala limpia nano del MIT, postprocesaron un chip CMOS para agregar zócalos a microescala que coincidan con la matriz de microchipletes de diamante.
Construyeron una configuración de transferencia interna en el laboratorio y aplicaron un proceso de bloqueo y liberación para integrar las dos capas bloqueando los microchiplets de diamante en los zócalos del chip CMOS. Dado que los microchiplets de diamante están débilmente unidos a la superficie del diamante, cuando liberan el diamante en masa horizontalmente, los microchiplets permanecen en los casquillos.
«Como podemos controlar la fabricación tanto del diamante como del chip CMOS, podemos crear un patrón complementario. De esta manera, podemos transferir miles de chips de diamante a sus correspondientes zócalos, todos al mismo tiempo», afirma Li.
Los investigadores demostraron una transferencia de área de 500 micrones por 500 micrones para una matriz con 1.024 nanoantenas de diamantes, pero podrían usar matrices de diamantes más grandes y un chip CMOS más grande para ampliar aún más el sistema. De hecho, descubrieron que con más qubits, sintonizar las frecuencias en realidad requiere menos voltaje para esta arquitectura.
«En este caso, si tenemos más qubits, nuestra arquitectura funcionará aún mejor», afirma Li.
El equipo probó muchas nanoestructuras antes de determinar la matriz de microchipletes ideal para el proceso de bloqueo y liberación. Sin embargo, fabricar microchiplets cuánticos no es una tarea fácil y el proceso tardó años en perfeccionarse.
«Hemos iterado y desarrollado la receta para fabricar estas nanoestructuras de diamante en la sala limpia del MIT, pero es un proceso muy complicado. Se necesitaron 19 pasos de nanofabricación para obtener los microchiplets cuánticos de diamante, y los pasos no fueron sencillos», añade.
Además de su QSoC, los investigadores desarrollaron un enfoque para caracterizar el sistema y medir su rendimiento a gran escala. Para ello, construyeron una configuración de metrología crioóptica personalizada.
Utilizando esta técnica, demostraron un chip completo con más de 4.000 qubits que podían sintonizarse a la misma frecuencia manteniendo sus propiedades ópticas y de giro. También construyeron una simulación de gemelo digital que conecta el experimento con el modelado digitalizado, lo que les ayuda a comprender las causas fundamentales del fenómeno observado y determinar cómo implementar la arquitectura de manera eficiente.
En el futuro, los investigadores podrían mejorar el rendimiento de su sistema refinando los materiales que utilizaron para fabricar qubits o desarrollando procesos de control más precisos. También podrían aplicar esta arquitectura a otros sistemas cuánticos de estado sólido.
