Computadoras cuánticas en silicio

En el implantador de iones individuales TIBUSSII (Sistema de vacío ultralto para implantación de iones triples) se pueden introducir de manera específica átomos extraños en un material, por ejemplo, para generar qubits. (Fuente: B. Schröder / HZDR) / En el implantador de iones individuales TIBUSSII (Sistema de vacío ultralto para implantación de iones triples), se pueden implantar dopantes individuales átomo por átomo en un material, por ejemplo, para generar qubits. (Fuente: B. Schröder / HZDR)

El consorcio EQUSPACE (Habilitando nuevas fronteras cuánticas con acústica de espín en silicio) ha recibido 3,2 millones de euros del programa de financiación Pathfinder Open del Consejo Europeo de Innovación (European Innovation Council – EIC) para avanzar en el desarrollo de tecnologías cuánticas basadas en silicio. El proyecto reúne, además del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), a otros cuatro socios de tres países de la UE y combina expertos en los campos de espín-Qubits, optomecánica y modificaciones atómicas del silicio, con el fin de desarrollar una plataforma cuántica innovadora basada en silicio.

Aunque el silicio es el material central para los ordenadores clásicos, actualmente no desempeña un papel clave en los conceptos de ordenadores cuánticos preferidos. Sin embargo, sería muy conveniente aprovechar la infraestructura de silicio, ya desarrollada con tecnología de semiconductores y que cuesta varios miles de millones de euros, también para procesar Qubits — las unidades de información cuántica. Investigadores han demostrado que los llamados Qubits de espín donante son particularmente adecuados para ello. Estos Qubits utilizan una propiedad de los átomos extraños, su espín, para procesar información. Se caracterizan, en comparación con otros sistemas cuánticos, por tener largos tiempos de coherencia, durante los cuales permanecen estables para realizar operaciones de cálculo cuántico. Sin embargo, actualmente no son la base de los ordenadores cuánticos comerciales, ya que no existen mecanismos adecuados de acoplamiento y lectura que puedan usarse para escalar a un nivel prácticamente útil.

EQUSPACE ahora tiene como objetivo crear en Europa un futuro a largo plazo para los Qubits de espín donante en silicio. La plataforma pretende conectar los Qubits basados en pequeños espines atómicos mediante ondas acústicas en estructuras en vibración. Además, se emplearán láseres y transistores de electrón único para leer eléctricamente el resultado al final del cálculo cuántico. El proyecto debe ofrecer una solución escalable para todos los aspectos importantes de una plataforma cuántica: el control y la lectura del resultado, el acoplamiento espín-espín entre Qubits, así como la transmisión de información cuántica entre unidades de cálculo en el chip. El resultado final podría ser una plataforma de información cuántica completa, que incluya Qubits, elementos de conexión y electrónica de control y lectura escalable.

Experiencia del HZDR en tecnología cuántica de silicio

Un equipo del Instituto de Física de Rayos Iónicos y Materiales del HZDR aportará su experiencia en la modificación atómica del silicio para aplicaciones cuánticas y desarrollará los métodos científicos de materiales necesarios como base para el proyecto. Para ello, utilizará un haz de iones focalizado para enriquecer localmente silicio ultralimpio con el isótopo silicio-28. El silicio-28 tiene la ventaja de que sus núcleos atómicos, en comparación con muchos otros materiales, no tienen espín, lo que evita que interactúen con campos magnéticos o con el espín de otras partículas, y por tanto, no perturban los cálculos. “Mediante el enriquecimiento dirigido con isótopos especiales, el estado cuántico permanece más estable durante más tiempo. Esto permite realizar operaciones cuánticas más complejas, y la plataforma puede, en perspectiva, superar a los ordenadores clásicos y otros sistemas cuánticos”, afirma el director del proyecto del HZDR, Dr. Nico Klingner.

Además de la purificación por isótopos, el equipo desarrolla la implantación de iones individuales de átomos donantes. Con ello, se pretende implantar átomos de bismuto individuales, cuyos espines forman un sistema de dos estados que puede mostrar uno u otro, hacia arriba o hacia abajo. La particularidad de los Qubits es que, a temperaturas muy bajas, ambos estados pueden existir en superposición simultáneamente: el espín puede encontrarse en una combinación de los estados “arriba” y “abajo”. De este modo, los ordenadores cuánticos pueden realizar muchos cálculos en paralelo, lo que puede aumentar drásticamente su potencia de cálculo.

Una de las principales ventajas de los Qubits de espín donante es su relativa estabilidad en comparación con otros tipos de Qubits, por ejemplo, los basados en circuitos superconductores. El espín en un átomo donante es menos susceptible a perturbaciones del entorno, por lo que el estado cuántico puede mantenerse durante períodos más largos. Esta estabilidad es imprescindible para escalar los ordenadores cuánticos a un mayor número de Qubits, sin que se pierda la coherencia o la precisión de los cálculos. “Estas contribuciones del HZDR, especialmente en los ámbitos de purificación por isótopos, implantación y optimización de tensiones en semiconductores, son fundamentales para el éxito del proyecto EQUSPACE”, valora el profesor Juha Muhonen, coordinador del proyecto.

Fortalecimiento de la posición de Europa en la competencia cuántica global

El consorcio EQUSPACE está formado por investigadores de la Universidad de Jyväskylä, del Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia, del HZDR, del Instituto NWO AMOLF en los Países Bajos y de la startup finlandesa SemiQon Oy. La colaboración refleja el creciente compromiso de Europa en la carrera mundial por la tecnología cuántica. Ante la intensificación de la competencia global, la industria cuántica europea enfrenta grandes desafíos frente a países líderes como EE. UU., China, Canadá y Australia.

“El enfoque de EQUSPACE es fundamental para garantizar que Europa siga siendo competitiva en el campo de las tecnologías cuánticas, que avanza rápidamente. Con esta financiación, EQUSPACE construye una sólida red de investigación en Europa basada en Qubits de espín donante, un desarrollo que fortalecerá a largo plazo la industria cuántica europea”, explica Muhonen. La financiación forma parte del programa Horizonte Europa. El proyecto, liderado por la Universidad de Jyväskylä, comenzará el 1 de febrero de 2025.

Financiado por la Unión Europea. Sin embargo, las opiniones expresadas son únicamente de los autores y no reflejan necesariamente las de la Unión Europea ni del Consejo Europeo de Innovación. Ni la Unión Europea ni la autoridad de concesión pueden responsabilizarse por ellas.

Más información:

Prof. Juha Muhonen
Universidad de Jyväskylä
Tel.: +358401905352 | Correo electrónico: juha.t.muhonen@jyu.fi

Dr. Nico Klingner
Instituto de Física de Rayos Iónicos y Materiales del HZDR
Tel.: +49 351 260 2524 | Correo electrónico: n.klingner@hzdr.de