Chip quantistici quasi realtà con design in silicio scalabile

I ricercatori di Diraq hanno presentato un metodo di fabbricazione di bit quantistici ad alta fedeltà, commercialmente valido e su larga scala, che potrebbe rivoluzionare il settore informatico. Questa dimostrazione di principio sfrutta processi di produzione tradizionali, impiegati da decenni per fornire chip per computer quantistici affidabili, su larga scala e tolleranti ai guasti, che mantengono la massima fedeltà. Ecco cosa c'è da sapere.

La domanda di computer quantistici a prezzi accessibili è in aumento

C'è una crescente domanda di servizi e specialisti di calcolo quantistico. Secondo recenti rapportiLe aziende hanno già speso 2.35 miliardi di dollari in servizi quantistici lo scorso anno. Inoltre, il settore ha registrato un aumento significativo delle assunzioni: le statistiche di LinkedIn indicano un aumento del 180% delle aziende alla ricerca di professionisti quantistici tra il 2020 e il 2024.

Le ragioni dell'aumento della domanda di computer quantistici sono molteplici. Una di queste sono le applicazioni militari. In tutto il mondo, le forze armate hanno investito ingenti finanziamenti nella speranza di ottenere un vantaggio competitivo sui concorrenti.

Iniziativa di benchmarking quantistico

La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) degli Stati Uniti ospita attualmente la Quantum Benchmarking Initiative. L'obiettivo di questo progetto è determinare se i chip di calcolo quantistico possano essere scalati e resi più durevoli rispetto al loro design attuale, caratterizzato da uno stato quantistico fragile.

Per raggiungere questo obiettivo, 18 aziende sono state selezionate per competere tra loro per raggiungere la scala di utilità nel settore del calcolo quantistico. "Scala di utilità" è un termine che si riferisce alla capacità del calcolo quantistico di risolvere problemi che superano di gran lunga le capacità dei supercomputer odierni.

Questo compito richiederà la correzione degli errori in tempo reale per soddisfare i requisiti di alta fedeltà. La fedeltà si riferisce all'accuratezza del chip. Gli ingegneri dovranno creare un chip quantistico in grado di memorizzare e accedere a enormi quantità di informazioni, supportando al contempo più di 100 qubit in modo affidabile nel fragile stato quantistico.

Chip quantistici a base di silicio

Sono stati utilizzati molti tipi diversi di chip quantistici per creare hardware quantistico. Tuttavia, l'introduzione di chip quantistici basati sul silicio presenta vantaggi significativi.

Innanzitutto, possono sfruttare i miliardi di dollari investiti in infrastrutture e strategie di fabbricazione già in atto per i chip tradizionali. Inoltre, i chip possono contenere milioni di qubit su un singolo chip. Questi qubit sono posizionati con precisione per fornire un calcolo quantistico efficiente.

I passi successivi

Riconoscendo il potenziale offerto dalla tecnologia spin-qubit al silicio, gli ingegneri hanno cercato modi per migliorare la progettazione di questi chip. La loro ricerca ha incluso sostanziali test di laboratorio. I risultati di laboratorio si sono dimostrati accurati. Tuttavia, fino ad oggi, non è stato fatto alcun tentativo di verificare se lo stesso livello di accuratezza possa essere raggiunto utilizzando i tradizionali metodi di fabbricazione su scala industriale.

Fonte - Nature

Per raggiungere questo obiettivo, gli ingegneri devono superare diverse sfide legate ai materiali. La loro progettazione dovrà tenere conto delle interferenze causate dal rumore di carica e dal disordine statico. Questi problemi si verificano a causa di difetti e trappole alle interfacce e agli ossidi presenti nei chip di silicio.

Studio sulla fabbricazione di chip quantistici su larga scala

La recente Celle unitarie spin-qubit in silicio compatibili con l'industria con fedeltà superiore al 99%¹ Uno studio pubblicato il 24 settembre su Nature fornisce preziose informazioni sulle metriche cruciali responsabili della realizzazione di chip quantistici scalabili.

Collega le capacità di monitoraggio in tempo reale e la capacità di correggere gli errori quantistici. In particolare, evidenzia le correlazioni tra rumore elettrico e trasporto di Hall. Nell'ambito di questo lavoro, Diraq ha progettato un nuovo software di modellazione della progettazione di chip.

Hanno collaborato con l'azienda di fabbricazione di chip imec, responsabile della produzione finale del dispositivo. Da lì, il team ha creato diversi progetti utilizzando wafer di silicio e la tradizionale geometria CMOS.

Utensili standard

Gli ingegneri hanno optato per diversi dispositivi a due qubit che utilizzavano un semiconduttore planare in metallo-ossido con gate in polisilicio. I dispositivi sono stati realizzati utilizzando utensili standard per semiconduttori in un ambiente di fonderia da 300 mm. Nello specifico, l'architettura utilizzata includeva un doppio punto quantico e un transistor a singolo elettrone (SET), che forniva la lettura dello spin in tempo reale.

In particolare, i quattro elettroni nel doppio punto formato sotto gli elettrodi di gate del dispositivo consentono di controllare l'accoppiamento tunnel tra i punti e di fornire un'analisi del rumore. Da lì, l'intera unità è stata posizionata in un frigorifero a diluizione 3He/4He impostato a una temperatura base di 10 mK in modalità isolata.

Test del nuovo design del chip quantistico

Per testare la loro build, il team ha sottoposto il dispositivo a diverse condizioni sperimentali create all'interno del laboratorio di ricerca dell'UNSW. Il primo passo è stato valutare la funzionalità primaria dei qubit del chip. Questo test ha incluso il collaudo di porte a uno e due qubit e la registrazione dei tassi di errore.

In particolare, il team ha utilizzato uno strumento all'avanguardia di tomografia a gate set (GST) per ottenere preziose informazioni sullo stato quantistico in tempo reale. Questo approccio ha permesso loro di determinare fattori di interferenza come il crosstalk e la scomposizione tra errori stocastici e coerenti.

Dopo aver documentato quattro progetti, hanno condotto misurazioni di crio-sondaggio su altre 16 opzioni. Ogni chip aveva una forma e un'architettura leggermente diverse, consentendo al team di comprendere come il loro progetto fornisca un controllo elettrostatico uniforme sugli elettrodi di gate del dispositivo.

Risultati dei test di studio sulla fabbricazione di chip quantistici su larga scala

I risultati dei test hanno dimostrato il successo del progetto. Il team ha dimostrato elevate prestazioni dei qubit sul wafer da 300 mm utilizzando fonderie di semiconduttori tradizionali. I loro dati suggeriscono che il chip ha funzionato esattamente come previsto. Sia nelle strutture di controllo a singolo qubit che a due qubit, ha superato il 99% di precisione su tutti e quattro i dispositivi.

I risultati di questi test indicano che il chip quantistico al silicio di Diraq può essere prodotto in serie con successo utilizzando le tradizionali strategie CMOS. Questa scoperta apre le porte alla produzione su larga scala di dispositivi di calcolo quantistico di nuova generazione.

Vantaggi dello studio sulla fabbricazione di chip quantistici su larga scala

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Sono molti i vantaggi che questo studio porta al settore. Innanzitutto, ha fornito preziose conoscenze scientifiche per superare i limiti tecnici delle strategie di fabbricazione di computer quantistici su larga scala. Ha anche dimostrato un modo per integrare i chip quantistici nella produzione di massa in futuro.

Precisione

Una delle scoperte più importanti è che il processo di fonderia non ha ridotto l'accuratezza o la fedeltà dei chip quantistici. Ha anzi dimostrato che i chip quantistici al silicio possono mantenere un'accuratezza di livello mondiale se creati utilizzando strategie spin-qubit all'avanguardia abbinate alla correzione degli errori in tempo reale.

Fabbricazione di massa

L'obiettivo principale dello studio era dimostrare che i computer quantistici basati sul silicio possono sfruttare l'industria dei semiconduttori, ormai consolidata. Gli ingegneri sono riusciti a raggiungere questo obiettivo, aprendo la strada all'adozione su larga scala di questi chip.

Applicazioni nel mondo reale e cronologia

Questo studio ha diverse applicazioni. Innanzitutto, contribuirà a tracciare una strada praticabile per la produzione su larga scala di chip quantistici al silicio affidabili. Questi dispositivi svolgeranno un ruolo fondamentale in molti settori high-tech, tra cui l'intelligenza artificiale, l'aerospaziale, la medicina, la modellazione climatica e molto altro.

Cronologia dello studio sulla fabbricazione di chip quantistici su larga scala

Ci vorranno dai 7 ai 10 anni prima che si possa entrare nel proprio negozio di computer locale e vedere dispositivi quantistici a un prezzo accessibile. Tuttavia, questo lavoro apre la strada a computer quantistici a prezzi ragionevoli nel prossimo decennio.

Ricercatori dello studio sulla fabbricazione di chip quantistici su larga scala

Per garantire il successo dello studio sulla fabbricazione di chip quantistici su larga scala, Diraq, una startup nanotecnologica dell'UNSW Sydney, ha collaborato con l'istituto europeo di nanoelettronica Interuniversity Microelectronics Centre (imec). In particolare, Diraq aveva precedentemente presentato un progetto di chip al silicio che fabbricava qubit utilizzando i processi CMOS nel loro laboratorio.

Questo passo ha spinto il team a spingere ulteriormente la tecnologia, consentendo l'impiego di metodi di fabbricazione su larga scala. Questo traguardo fondamentale apre le porte alla produzione di massa di chip quantistici a base di silicio, da utilizzare in vari settori, dai trasporti ai dispositivi medici.

Direzioni di ricerca future

Commentando i loro piani, gli ingegneri intendono condurre ulteriori indagini su configurazioni di grandi dimensioni e occupazioni di elettroni più elevate. Il loro obiettivo è comprendere meglio l'origine fisica dei meccanismi di errore osservati e creare modelli in grado di prevedere e prevenire con precisione tali eventi. In caso di successo, questo lavoro aprirebbe la strada a prestazioni ancora più elevate nel settore.

Investire nel calcolo quantistico

Diversi sviluppatori di computer quantistici operano a livello globale. Queste aziende continuano a spingere i confini dell'informatica investendo costantemente in ricerca e sviluppo per ridurre i costi di fabbricazione. Ecco un'azienda che continua a mantenere uno spirito pionieristico nel mercato ed è riconosciuta come leader del settore.

Rigetti Computing

Rigetti Computing è entrata nel mercato nel 2013. Ha sede in California ed è stata fondata dal fisico Chad Rigetti. Inizialmente, Rigetti Computing si concentrava sulla creazione e la manutenzione di qubit superconduttori. Questo approccio includeva la creazione di sistemi quantistici superconduttori full-stack e di altri componenti hardware essenziali.

In particolare, Rigetti Computing ha sempre avuto uno spirito pionieristico nel mercato. Ad esempio, ha introdotto il primo processore quantistico nel 2016. Questo chip a 3 qubit apre le porte a innovazioni future, tra cui il rilascio dell'ambiente di programmazione quantistica Forest, che ha contribuito a guidare lo sviluppo degli algoritmi.

Nel 2017 è stato lanciato Rigetti Quantum Cloud Services (QCS), consentendo l'accesso a livello aziendale a potenti chip quantistici. Questa iniziativa è stata rapidamente seguita dall'apertura di una nuova fonderia a Fremont, in California, nello stesso anno. Queste iniziative hanno contribuito a rafforzare il posizionamento e le capacità produttive dell'azienda.

Nel 2024, Rigetti Computing ha presentato i suoi processori a 32 qubit. Questa mossa è stata seguita da una partnership strategica con AWS. Tutte queste manovre hanno rafforzato il posizionamento di mercato di Rigetti Computing e la fiducia dei consumatori. Pertanto, oggi è considerata un'ottima opportunità per acquisire visibilità nel settore del calcolo quantistico.

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Studio sulla fabbricazione di chip quantistici su larga scala | Conclusione

Ci sono tantissime ragioni per cui creare chip quantistici al silicio in grado di sfruttare l'industria matura dei semiconduttori è una vittoria per tutti. Innanzitutto, favorirà la riduzione dei costi e la ricerca. Inoltre, ispirerà maggiore innovazione tecnologica in futuro.

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Referenze

^{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). Celle unitarie spin-qubit in silicio compatibili con il settore con una fedeltà superiore al 99%. Natura, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}