Proyecto de la UE agrupa esfuerzos en el camino hacia la era de los procesadores cuánticos escalables

El probador criogénico en oblea en Fraunhofer IAF realiza caracterizaciones completamente automáticas de hasta 25 obleas completas de 200 mm o 300 mm con dispositivos para computación y detección cuántica. © Fraunhofer IAF / El probador criogénico en oblea en Fraunhofer IAF permite caracterizaciones totalmente automáticas de hasta 25 obleas completas de 200 mm o 300 mm con dispositivos para computación y detección cuántica. © Fraunhofer IAF

Configuración para la caracterización RF bajo condiciones criogénicas. © Fraunhofer IPMS / Configuración para la caracterización RF bajo condiciones criogénicas. © Fraunhofer IPMS

El consorcio ARCTIC. © imec / El consorcio ARCTIC. © imec

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Para hacer que una computadora cuántica sea utilizable, el desarrollo de la controladora para sistemas escalables es esencial, pero aún está en pañales. El proyecto «ARCTIC» reúne a 36 socios internacionales de la industria, la ciencia y las principales instituciones de investigación para construir una cadena de suministro europea completa y exhaustiva para una infraestructura de control escalable, confiable e innovadora para procesadores cuánticos criogénicos. Los institutos alemanes Fraunhofer IPMS y Fraunhofer IAF aportan su amplia experiencia en la caracterización de componentes electrónicos. La UE financia el proyecto con más de 11 millones de euros por una duración de tres años.

Actualmente, las computadoras cuánticas se consideran los candidatos más prometedores para resolver eficientemente problemas que son completamente inalcanzables para las computadoras clásicas. Sin embargo, requieren un esfuerzo enorme en control y interfaces para funcionar. En las computadoras cuánticas basadas en qubits, que operan en un criostato cerca del cero absoluto, el número de posibles líneas de señal que pueden ser conducidas desde los dispositivos de control hacia los criostatos está limitado. Esto se debe al espacio restringido, al calor transportado por los cables y a la longitud limitada de los cables existentes debido a la integridad de la señal necesaria.

«Los requisitos de rendimiento para dispositivos electrónicos y circuitos a temperaturas criogénicas son completamente diferentes a los de temperatura ambiente. En aplicaciones muy sensibles, como los procesadores cuánticos, todos los aspectos de las tecnologías microelectrónicas deben ser optimizados», dice Alexander Grill, director científico de «ARCTIC» («Tecnologías criogénicas avanzadas para la computación innovadora») en el centro de investigación belga imec. Se consideran resultados del proyecto como un paso importante para tecnologías con alta demanda, que pueden resolver problemas existentes en áreas como la química computacional, las ciencias de la vida y la criptografía necesaria para la protección de datos y la ciberseguridad.

Para superar los obstáculos existentes, «ARCTIC» reúne a 36 socios para construir una cadena de suministro europea completa y exhaustiva para fotónica criogénica, microelectrónica y microsistemas criogénicos en torno a la emergente industria de la computación cuántica y diversas aplicaciones de TIC apoyadas por criogenia.

La Sociedad Fraunhofer participa en «ARCTIC» con sus institutos IPMS para microsistemas fotónicos y IAF para física de sólidos aplicada. El enfoque de su trabajo en el proyecto se centra en la caracterización de componentes en entornos criogénicos y en obleas de tamaño industrial para procesadores cuánticos criogénicos, así como en el análisis del comportamiento eléctrico de transistores y componentes de memoria a temperaturas inusualmente bajas.

Fraunhofer IAF caracteriza componentes periféricos para procesadores cuánticos criogénicos

La caracterización de componentes electrónicos es tan importante como laboriosa, especialmente cuando se trata de mediciones y caracterizaciones criogénicas con largos tiempos de enfriamiento y calentamiento. Fraunhofer IAF desempeña un papel fundamental en «ARCTIC», permitiendo la caracterización de componentes periféricos para procesadores cuánticos criogénicos en obleas de tamaño industrial mediante un probador automatizado de obleas criogénicas completas. Además de su amplio conocimiento en métodos de caracterización de componentes semiconductores para fines de I+D y pruebas industriales de obleas de 200 mm y 300 mm, Fraunhofer IAF es uno de los pocos proveedores europeos con una configuración de prueba de baja temperatura que opera por debajo de 2 K. Este profundo conocimiento en la caracterización de componentes criogénicos y en la variabilidad estadística de tecnologías clave será una parte esencial de «ARCTIC» y contribuirá a acelerar la prueba industrial de tecnologías criogénicas necesarias para escalar computadoras cuánticas.

El proyecto en Fraunhofer IAF está financiado por la UE dentro del programa Horizonte Europa y cofinanciado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF).

Fraunhofer IPMS aporta su experiencia en la caracterización de componentes semiconductores comerciales

El Centro de Tecnologías Nanoelectrónicas (CNT) en Fraunhofer IPMS se dedica a la caracterización y modelado de transistores bipolares y CMOS, así como de elementos de memoria a temperaturas criogénicas. El enfoque está en la caracterización y modelado de alta frecuencia, ruido y defectos de transistores comerciales dentro de la tecnología 22FDX FDSOI, así como en el desarrollo de memorias ferroeléctricas no volátiles optimizadas. Para ello, es crucial mejorar los métodos de caracterización en entornos criogénicos y en obleas completas, y desarrollar una comprensión profunda de cómo se comportan los transistores de efecto campo y los elementos de memoria a temperaturas inusualmente bajas. «Queremos obtener nuevos conocimientos sobre la posición energética y la cantidad de defectos eléctricos en los transistores. Esto permitirá a la industria ofrecer nuevos productos criogénicos y Fraunhofer puede proporcionar métodos de caracterización únicos. La reducción del ruido inducido por defectos en la electrónica es un factor importante para aumentar el tiempo de coherencia de los estados de qubits, por lo que los métodos desarrollados son directamente relevantes para enfoques de computación cuántica criogénica. Además, en las memorias no volátiles, es importante minimizar el consumo de energía de los elementos de memoria, ya que la potencia de enfriamiento en los criostatos es muy limitada», explica el Dr. Maik Simon, investigador en el grupo de Tecnologías Cuánticas en CNT Dresden.

Otra área de competencia del Fraunhofer IPMS es el estudio de la aplicabilidad de memorias ferroeléctricas no volátiles en entornos criogénicos mediante caracterización eléctrica y modelado físico. Este estudio innovador mostrará cómo funcionan estos componentes a bajas temperaturas y qué parámetros se pueden modificar para mejorar las propiedades de conmutación, la densidad de integración y la fiabilidad.

El proyecto en Fraunhofer IPMS está cofinanciado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) y el Ministerio de Economía, Trabajo y Transporte de Sajonia (SMWA).

Sobre el proyecto «ARCTIC»

«ARCTIC» reúne a desarrolladores de tecnología, integradores, modeladores, diseñadores, actores de sistemas o aplicaciones y usuarios finales para garantizar una interfaz fluida entre los diferentes niveles. Al mismo tiempo, una gran parte de los esfuerzos se centra en conexiones faltantes, incluyendo en el área de modelado y estandarización criogénica. Además, se está creando un ecosistema de I+D único en Europa, en el que colaboran diversas organizaciones de investigación y tecnología, formando un puente entre los modelos de innovación académica y la explotación industrial, tanto en pymes como en grandes empresas industriales.