Investigadores del MIT desarrollan cúbits superconductores más pequeños y estables con materiales 2D
La computación cuántica, con su promesa de resolver problemas inaccesibles para los ordenadores clásicos, se enfrenta a obstáculos fundamentales en su desarrollo. Dos de los desafíos más críticos son la miniaturización de los cúbits y la mejora de su calidad para mantener la coherencia cuántica. Las arquitecturas actuales de cúbits superconductores, como las exploradas por IBM en su hoja de ruta hacia procesadores de más de mil cúbits, requieren chips de gran tamaño o módulos multichip, lo que complica la escalabilidad a gran escala.
Frente a esta barrera, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desarrollado una nueva aproximación que aborda directamente ambos problemas. El equipo ha logrado reducir significativamente el tamaño de los cúbits superconductores y, al mismo tiempo, disminuir la interferencia o "diafonía" que se produce entre cúbits adyacentes, incrementando la densidad de cúbits en un dispositivo hasta cien veces.
La clave de este avance reside en la incorporación de materiales bidimensionales (2D) en la construcción de los capacitores de los cúbits. Específicamente, han empleado nitruro de boro hexagonal (hBN) de pocas capas atómicas de grosor como aislante. Los capacitores, componentes esenciales en estos circuitos, funcionan como un sándwich donde un material aislante se intercala entre dos placas conductoras. En el contexto de los cúbits superconductores, que operan a temperaturas extremadamente bajas (menos de 0,02 grados sobre el cero absoluto), los aislantes convencionales suelen introducir demasiadas pérdidas debido a sus defectos.
Un diseño compacto y de alta fidelidad
Hasta ahora, la solución predominante para evitar las pérdidas en los aislantes de silicio era el uso de capacitores coplanares. En estos, las placas se disponen lateralmente, y el sustrato de silicio (o incluso el vacío) actúa como dieléctrico. Si bien esto minimiza los defectos, el diseño lateral requiere que cada placa sea relativamente grande (típicamente 100 por 100 micrómetros) para lograr la capacitancia necesaria, lo que consume una valiosa superficie del chip.
Los investigadores del MIT buscaron un aislante con muy pocos defectos y compatible con las placas superconductoras. El hBN se eligió por su conocida pureza e inercia química en la investigación de materiales 2D. Para las placas conductoras, se utilizó diseleniuro de niobio, un material superconductor 2D.
Uno de los retos de fabricación fue el diseleniuro de niobio, que se oxida rápidamente al exponerse al aire. Esto obligó a ensamblar los capacitores en una caja de guantes llena de gas argón. Sin embargo, los investigadores no consideran que esto sea un impedimento para la escalabilidad. Una vez formado el "sándwich", las interfaces entre el hBN y el diseleniuro de niobio quedan "selladas", y la estructura no muestra degradación apreciable con la exposición atmosférica. Esto se debe a que aproximadamente el 90 por ciento del campo eléctrico se contiene dentro de la estructura encapsulada, mitigando el impacto de la oxidación superficial externa.
Este diseño compacto no solo reduce drásticamente la huella de los capacitores, sino que también contribuye a una menor diafonía entre cúbits vecinos. Si bien el crecimiento a escala de oblea de hBN y superconductores 2D, así como su apilamiento a gran escala, presenta un desafío continuo para la fabricación, este trabajo sienta las bases para explorar otros materiales 2D híbridos en la construcción de circuitos cuánticos superconductores.
Por qué importa
La miniaturización y la calidad de los cúbits son cuellos de botella críticos para la computación cuántica. Los enfoques actuales requieren grandes chips, lo que limita la integración de miles de cúbits necesarios para alcanzar la corrección de errores cuánticos y aplicaciones complejas. Este avance ofrece una ruta prometedora para superar estas restricciones y acelerar el desarrollo de procesadores cuánticos a gran escala.
Antecedentes
Los cúbits superconductores operan a temperaturas criogénicas y suelen depender de capacitores coplanares de gran tamaño para evitar las pérdidas asociadas a los dieléctricos convencionales. Este diseño, aunque efectivo para la calidad del cúbit, compromete la densidad y, por tanto, la escalabilidad del sistema.
El reto de la fabricación y la estabilidad
Aunque el diseleniuro de niobio se oxida rápidamente al aire, los investigadores del MIT aseguran que el ensamblaje de los capacitores en un entorno controlado sella las interfaces. Una vez creados, los dispositivos son estables en atmósfera normal, ya que el campo eléctrico se concentra en el interior, minimizando el impacto de la oxidación externa.
Abordamos tanto la miniaturización como la calidad de los cúbits. A diferencia de la escalabilidad de transistores convencionales, donde solo el número importa, para los cúbits, grandes números no son suficientes; también deben tener un alto rendimiento. Sacrificar rendimiento por número de cúbits no es un intercambio útil en la computación cuántica. Deben ir de la mano.
William Oliver, Director del Centro de Ingeniería Cuántica del MIT
Elegimos estudiar el hBN porque es el aislante más utilizado en la investigación de materiales 2D debido a su limpieza e inercia química.
Joel Wang, Investigador científico en el grupo Engineering Quantum Systems del MIT
Datos clave
| Incremento de densidad de cúbits | Factor de 100 |
|---|---|
| Temperatura de operación de cúbits superconductores | Inferior a 0,02 Kelvin (-273,13 °C) |
| Objetivo de procesadores de cúbits | Más de 1.000 cúbits |
Fuente original: IEEE Spectrum
