NP: Intel continúa su apuesta por los chips de silicio para la computación cuántica

Intel Corporation ha inventado un flujo de fabricación de spin qubit en su tecnología de proceso de 300 mm utilizando obleas isotópicamente puras, como esta. (Crédito: Walden Kirsch / Intel Corporation)

La computación cuántica es anunciada por su potencial para abordar problemas que las computadoras convencionales actuales no pueden manejar. Los científicos y las industrias están buscando la computación cuántica para acelerar los avances en áreas como la química o el desarrollo de fármacos, la elaboración de modelos financieros e incluso la predicción del clima.

Para cumplir con el potencial de la informática cuántica, Intel inició un programa de investigación colaborativa en 2015 con el objetivo de desarrollar un sistema de computación cuántica comercialmente viable.

Si bien ha habido un progreso significativo, la investigación de la computación cuántica aún es incipiente. La industria está en el kilómetro uno en un maratón, y para realizar este nuevo paradigma de la computación, muchos problemas deben ser resueltos y muchas decisiones arquitectónicas deben tomarse. Por ejemplo, aún no está claro qué forma tomarán los procesadores cuánticos (o «qubits»). Es por eso que Intel coloca dos grandes apuestas de investigación e invierte en ellas por igual.

Una posible forma son los qubits superconductores. Intel está avanzando rápidamente en el desarrollo de este tipo de chip de prueba, que otros en la industria y la academia también están buscando. Además, Intel está investigando una estructura alternativa, que se basa en la experiencia de clase mundial de la empresa en la fabricación de transistores de silicio. Esta arquitectura alternativa se denomina «qubits de giro», que funcionan en silicio y podrían ayudar a superar algunos de los obstáculos científicos para llevar la computación cuántica de la investigación a la realidad.

¿Qué es un spin qubit?

Los spin qubit se parecen mucho a los componentes electrónicos y transistores de semiconductores tal como los conocemos hoy en día. Entregan su poder cuántico aprovechando el giro de un solo electrón en un dispositivo de silicio y controlando el movimiento con diminutos pulsos de microondas.

Los electrones pueden girar en diferentes direcciones. Cuando el electrón gira, los datos significan el valor binario 1. Cuando el electrón gira hacia abajo, los datos significan el valor binario 0. Pero, de forma similar a cómo operan los qubits superconductores, estos electrones también pueden existir en una «superposición», lo que significa tienen la probabilidad de un giro que suba y baje al mismo tiempo y, al hacerlo, teóricamente pueden procesar tremendos conjuntos de datos en paralelo, mucho más rápido que una computadora clásica.

¿Por qué investigar spin qubits?

Entre los desafíos que los investigadores deben superar antes de que la computación cuántica pueda convertirse en una realidad comercial, se encuentra la naturaleza increíblemente frágil de los qubits. Cualquier ruido o observación involuntaria de ellos puede causar la pérdida de datos. Esta fragilidad requiere que operen a temperaturas extremadamente frías, lo que crea desafíos para el diseño del material de las propias chips y la electrónica de control necesaria para que funcionen. Los qubits superconductores son bastante grandes y operan en sistemas del tamaño de tambores de 55 galones, lo que hace que sea difícil escalar el diseño del sistema cuántico a los millones de qubits necesarios para crear un sistema comercial verdaderamente útil.

Los spin qubits, en comparación con sus contrapartes superconductoras, ofrecen algunas ventajas para enfrentar estos desafíos.

Son pequeños y fuertes: los spin qubits son mucho más pequeños en tamaño físico y se espera que su tiempo de coherencia sea más largo, una ventaja ya que los investigadores buscan escalar el sistema a los millones de qubits que serán necesarios para un sistema comercial.

Pueden funcionar a temperaturas más altas: los spin qubits de silicio pueden operar a temperaturas más altas que los qubits superconductores (1 kelvin en comparación con 20 milikelvin). Esto podría reducir drásticamente la complejidad del sistema requerido para operar los chips al permitir la integración de la electrónica de control mucho más cerca del procesador. Intel y el socio de investigación académica QuTech están explorando la operación a mayor temperatura de los spin qubits con resultados interesantes hasta 1K (o 50x más cálidos) que los qubits superconductores. El equipo planea compartir los resultados en la reunión de la American Physical Society (APS) en marzo.

Intel know-how de fabricación: el diseño de los procesadores spin qubit se parece mucho a las tecnologías tradicionales de transistores de silicio. Si bien quedan desafíos clave científicos y de ingeniería para escalar esta tecnología, Intel tiene el equipamiento y la infraestructura de décadas de fabricación de transistores a escala.

¿Cuál es el estado de la investigación sobre spin qubits?

Esta semana en la American Association for the Advancement of Science (AAAS) Annual Meeting, QuTech, presentará su éxito la creación de una computadora cuántica basada en spin de dos qubits que se puede programar para realizar dos algoritmos cuánticos simples. Este desarrollo abre el camino a procesadores más grandes basados ​​en spin capaces de aplicaciones más complejas. Puede leer más en un artículo relacionado de Nature, que se publicó hoy.

Y, Intel ha inventado un flujo de fabricación de spin qubit en su tecnología de proceso de 300 mm utilizando obleas isotópicamente puras, específicamente para la producción de chips de prueba de spin-qubit. Fabricado en las mismas instalaciones que las tecnologías avanzadas de transistores de Intel, Intel ahora está probando las obleas iniciales. En un par de meses, Intel espera producir muchas obleas por semana, cada una con miles de pequeñas matrices de qubits.

En el futuro, Intel y QuTech continuarán la investigación tanto de superconductores como de spin qubits en todo el sistema cuántico desde dispositivos qubit hasta la arquitectura de hardware y software necesaria para controlar estos dispositivos, así como aplicaciones cuánticas. Todos estos elementos son esenciales para avanzar en la computación cuántica de la investigación a la realidad.