Chips cuánticos casi reales con diseño de silicio escalable

Investigadores de Diraq presentaron un método comercialmente viable de fabricación de bits cuánticos a escala y de alta fidelidad que podría revolucionar el sector informático. Esta prueba de concepto utiliza procesos de fabricación tradicionales que se han empleado durante décadas para proporcionar chips de computación cuántica fiables, a gran escala y tolerantes a fallos que mantienen la máxima fidelidad. Aquí tiene lo que necesita saber.

La demanda de computadoras cuánticas asequibles está en aumento

Existe una creciente demanda de servicios y especialistas en computación cuántica. Según datos recientes (aqui)Las empresas ya han invertido 2.35 millones de dólares en servicios cuánticos el año pasado. Además, el sector ha experimentado un aumento significativo en la contratación, con estadísticas de LinkedIn que indican un aumento del 180 % en la búsqueda de profesionales cuánticos por parte de las empresas entre 2020 y 2024.

Existen muchas razones para el aumento de la demanda de computación cuántica. Una de ellas son las aplicaciones militares. En todo el mundo, los ejércitos han invertido importantes fondos con la esperanza de obtener una ventaja competitiva sobre sus competidores.

Iniciativa de evaluación comparativa cuántica

La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) de Estados Unidos organiza actualmente la Iniciativa de Evaluación Comparativa Cuántica. El objetivo de este proyecto es determinar si los chips de computación cuántica pueden escalarse y hacerse más duraderos que su diseño actual, que presenta un estado cuántico frágil.

Para lograr esta tarea, se seleccionaron 18 empresas para competir entre sí y alcanzar la escala de utilidad en el sector de la computación cuántica. La escala de utilidad se refiere a la capacidad de la computación cuántica para resolver problemas que superan con creces a las supercomputadoras actuales.

Esta tarea requerirá corrección de errores en tiempo real para cumplir con los requisitos de alta fidelidad. La fidelidad se refiere a la precisión del chip. Los ingenieros deberán crear un chip cuántico capaz de almacenar y acceder a cantidades masivas de información, manteniendo al mismo tiempo más de 100 cúbits de forma fiable en el frágil estado cuántico.

Chips cuánticos basados ​​en silicio

Se han utilizado muchos tipos diferentes de diseños de chips cuánticos para crear hardware cuántico. Sin embargo, la introducción de chips cuánticos basados ​​en silicio ofrece ventajas significativas.

En primer lugar, pueden aprovechar los miles de millones de dólares en infraestructura y estrategias de fabricación ya existentes para los chips tradicionales. Además, los chips pueden albergar millones de cúbits en un solo chip. Estos cúbits están posicionados con precisión para proporcionar computación cuántica eficiente.

Los próximos pasos

Reconociendo el potencial que ofrece la tecnología de espín-cúbit de silicio, los ingenieros han buscado maneras de mejorar estos diseños de chips. Su investigación ha incluido numerosas pruebas de laboratorio. Los resultados de laboratorio han demostrado su precisión. Sin embargo, hasta la fecha, no se ha intentado comprobar si se puede lograr el mismo nivel de precisión utilizando métodos tradicionales de fabricación a escala industrial.

Fuente - Nature

Para lograr esta tarea, los ingenieros deben superar varios desafíos relacionados con los materiales. Su diseño deberá considerar la interferencia causada por el ruido de carga y el desorden estático. Estos problemas se producen debido a defectos y trampas en las interfaces y óxidos presentes en los diseños de chips de silicio.

Estudio de fabricación de chips cuánticos a gran escala

El reciente bloqueo del Células unitarias de cúbit de espín de silicio compatibles con la industria que superan el 99 % de fidelidad¹ Un estudio publicado el 24 de septiembre en Nature proporciona información valiosa sobre las métricas cruciales responsables de lograr chips cuánticos escalables.

Conecta las capacidades de monitorización en tiempo real con la capacidad de corregir errores cuánticos. En concreto, señala las correlaciones entre el ruido eléctrico y el transporte de barras de Hall. Como parte del trabajo, Diraq diseñó un nuevo software de modelado de diseño de chips.

Se asociaron con la empresa de fabricación de chips imec, responsable de la fabricación final del dispositivo. A partir de ahí, el equipo creó varios diseños utilizando obleas de silicio y geometría CMOS tradicional.

Herramientas estándar

Los ingenieros se decidieron por varios dispositivos de dos cúbits que utilizaban semiconductores de óxido metálico planar con puertas de polisilicio. Los dispositivos se fabricaron con herramientas de semiconductores estándar en un entorno de fundición de 300 mm. En concreto, la arquitectura empleada incluía un punto cuántico doble y un transistor de un solo electrón (SET), que proporcionaba lectura de espín en tiempo real.

Cabe destacar que los cuatro electrones del doble punto formado bajo los electrodos de compuerta del émbolo del dispositivo permiten controlar el acoplamiento túnel entre los puntos y proporcionar análisis de ruido. A partir de ahí, toda la unidad se colocó en un refrigerador de dilución de 3He/4He, ajustado a una temperatura base de 10 mK en modo aislado.

Prueba del nuevo diseño del chip cuántico

Para probar su construcción, el equipo sometió el dispositivo a diversas condiciones experimentales creadas en el laboratorio de investigación de la UNSW. El primer paso fue evaluar la funcionalidad principal de cúbits del chip. Esta prueba incluyó la prueba de puertas de uno y dos cúbits y el registro de las tasas de error.

Cabe destacar que el equipo utilizó una herramienta de tomografía de conjuntos de puertas (GST) de última generación para obtener información valiosa sobre el estado cuántico en tiempo real. Este enfoque les permitió determinar factores de interferencia como la diafonía y la ruptura entre errores estocásticos y coherentes.

Tras documentar cuatro diseños, realizaron mediciones de criosonda en otras 16 opciones. Cada chip tenía una forma y arquitectura ligeramente diferentes, lo que permitió al equipo comprender cómo su diseño proporciona un control electrostático uniforme sobre los electrodos de puerta del dispositivo.

Resultados de pruebas de estudios de fabricación de chips cuánticos a gran escala

Los resultados de las pruebas demostraron que el concepto fue un éxito. El equipo demostró un alto rendimiento de cúbits en la oblea de 300 mm utilizando fundiciones de semiconductores tradicionales. Los datos sugieren que el chip funcionó exactamente como se predijo. En instalaciones de control de uno y dos cúbits, superó el 99 % de precisión en los cuatro dispositivos.

Los resultados de estas pruebas indican que el chip cuántico de silicio de Diraq puede producirse en masa con éxito utilizando estrategias CMOS tradicionales. Este descubrimiento abre la puerta a la producción a gran escala de dispositivos de computación cuántica de próxima generación.

Beneficios del estudio de fabricación de chips cuánticos a gran escala

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Este estudio aporta numerosos beneficios a la industria. Por un lado, proporcionó valiosos conocimientos científicos para superar las limitaciones técnicas de las estrategias de fabricación de computación cuántica a gran escala. También demostró una forma de integrar chips cuánticos en la fabricación en masa en el futuro.

Exactitud

Uno de los mayores descubrimientos es que el proceso de fundición no redujo la precisión ni la fidelidad de los chips cuánticos. De hecho, demostró que los chips cuánticos basados ​​en silicio pueden mantener una precisión excepcional al crearse utilizando estrategias de espín-cúbit de vanguardia, combinadas con corrección de errores en tiempo real.

Fabricación en masa

El objetivo principal del estudio fue demostrar que las computadoras cuánticas basadas en silicio pueden aprovechar la industria consolidada de semiconductores. Los ingenieros lograron este objetivo, lo que abre la puerta a la adopción a gran escala de estos chips.

Aplicaciones en el mundo real y cronología

Este estudio tiene varias aplicaciones. Por un lado, ayudará a proporcionar una vía viable para la producción a gran escala de chips cuánticos de silicio fiables. Estos dispositivos desempeñarán un papel vital en muchas industrias de alta tecnología, como la inteligencia artificial, la aeroespacial, la medicina, la modelización climática y muchas más.

Cronología del estudio de fabricación de chips cuánticos a gran escala

Pasarán entre 7 y 10 años antes de que puedas ir a tu tienda de informática local y ver dispositivos de energía cuántica a un precio asequible. Sin embargo, este trabajo allana el camino para computadoras cuánticas a precios razonables en la próxima década.

Investigadores del estudio de fabricación de chips cuánticos a gran escala

Para que el Estudio de Fabricación de Chips Cuánticos a Gran Escala fuera un éxito, Diraq, una startup de nanotecnología de la UNSW Sídney, colaboró ​​con el Centro Interuniversitario de Microelectrónica (IMEC) del instituto europeo de nanoelectrónica. Cabe destacar que Diraq había presentado previamente un diseño de chip de silicio que fabricaba cúbits mediante procesos CMOS en su laboratorio.

Este paso inspiró al equipo a impulsar la tecnología aún más, permitiendo el uso de métodos de fabricación a gran escala. Este logro fundamental abre la puerta a la producción en masa de chips cuánticos basados ​​en silicio para su uso en todo tipo de aplicaciones, desde el transporte hasta los dispositivos médicos.

Direcciones de investigaciones futuras

Al comentar sus planes, los ingenieros planean investigar más a fondo las configuraciones grandes y las ocupaciones electrónicas más altas. Su objetivo es comprender mejor el origen físico de los mecanismos de error observados y crear modelos que puedan predecir y prevenir con precisión estas incidencias. De tener éxito, este trabajo proporcionaría una vía clara para un rendimiento aún mayor en el sector.

Invertir en computación cuántica

Varios desarrolladores de computadoras cuánticas operan a nivel mundial. Estas empresas continúan expandiendo los límites de la computación mediante la inversión constante en I+D para reducir los costos de fabricación. Aquí presentamos una empresa que mantiene un espíritu pionero en el mercado y es reconocida como líder del sector.

Rigetti Computing

Rigetti Computing entró en el mercado en 2013. Tiene su sede en California y fue fundada por el físico Chad Rigetti. Su enfoque original era la creación y el mantenimiento de cúbits superconductores. Este enfoque incluía la creación de sistemas cuánticos superconductores integrales y otro hardware esencial.

Cabe destacar que Rigetti Computing siempre ha sido pionero en el mercado. Por ejemplo, presentó el primer procesador cuántico en 2016. Este chip de 3 cúbits abre la puerta a futuras innovaciones, incluyendo el lanzamiento del entorno de programación cuántica Forest, que impulsó el desarrollo de algoritmos.

En 2017, se lanzó Rigetti Quantum Cloud Services (QCS), que permitió el acceso empresarial a potentes chips cuánticos. Esta iniciativa fue seguida rápidamente por la apertura de una nueva fundición en Fremont, California, ese mismo año. Estas iniciativas ayudaron a fortalecer el posicionamiento y las capacidades de fabricación de la empresa.

En 2024, Rigetti Computing presentó sus procesadores de 32 cúbits. Esta iniciativa fue seguida por una alianza estratégica con AWS. Todas estas iniciativas reforzaron el posicionamiento de Rigetti Computing en el mercado y la confianza del consumidor. Por ello, hoy en día se considera una excelente manera de ganar visibilidad en el sector de la computación cuántica.

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Estudio de fabricación de chips cuánticos a gran escala | Conclusión

Hay muchas razones por las que crear chips cuánticos de silicio que aprovechen la madura industria de los semiconductores es beneficioso para todos. Por un lado, impulsará la reducción de costos y la investigación. Además, inspirará más innovación tecnológica en el futuro.

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Referencias

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, WH, Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, JD, Vahapoglu, E., Bartee, SK, Hudson, FE, Chan, KW, Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, AS (2025). Celdas unitarias de spin-qubit de silicio compatibles con la industria que superan el 99 % de fidelidad. Naturaleza, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}