Fujitsu ha anunciado una colaboración con QuTech (1) para el desarrollo de los primeros circuitos electrónicos criogénicos del mundo para controlar bits cuánticos basados en diamante. La nueva técnica, que permite un funcionamiento cómodo tanto de los qubits como de la electrónica de control en un refrigerador criogénico compacto, resuelve el «cuello de botella del cableado» en la refrigeración de los qubits, manteniendo al mismo tiempo un rendimiento de alta calidad, lo que supone un hito significativo hacia la realización de ordenadores cuánticos a mayor escala.
QuTech presentará los resultados del proyecto de investigación conjunto con Fujitsu en la «International Conference on Solid State Device Circuits ISSCC 2024 (IEEE International Solid-State Circuits Conference 2024)», una de las mayores conferencias sobre tecnología de semiconductores que se celebrará en San Francisco (EE.UU.) del 18 de febrero de 2024 al jueves 22 de febrero.
Antecedentes
Los qubits utilizan efectos cuánticos extremadamente frágiles que se ven perturbados por diversas influencias, entre ellas la mínima cantidad de calor. Una fuga de calor en los ordenadores cuánticos destruiría inmediatamente la información que contiene un qubit, lo que haría que cualquier ordenador cuántico fuera poco fiable e inutilizable. Para garantizar un funcionamiento preciso, los qubits deben enfriarse a las temperaturas más bajas posibles, cercanas al cero kelvin absoluto (-273 °C).
El funcionamiento preciso de los circuitos electrónicos que controlan el qubit representa un reto constante, y los métodos convencionales para mantener los qubits lo suficientemente fríos requieren un pequeño refrigerador criogénico, donde los qubits se conectan con cables a la electrónica fuera del refrigerador.
Sin embargo, los cables entre los qubits fríos y la electrónica a temperatura ambiente afectan considerablemente a la fiabilidad, la fabricación y el tamaño de los ordenadores cuánticos.
Para solucionarlo, Fujitsu, en colaboración con investigadores e ingenieros de QuTech -una colaboración entre TU Delft y TNO-, ha desarrollado una nueva técnica que aprovecha la experiencia de QuTech en tecnología de circuitos integrados criogénicos de semiconductores (circuitos criogénicos CMOS) y qubits de espín de diamante, más resistentes a las perturbaciones térmicas, para accionar con éxito un qubit de espín de diamante utilizando un circuito criogénico CMOS instalado en un refrigerador criogénico. La nueva tecnología permite instalar un circuito crio-CMOS a la misma temperatura que un qubit de espín de diamante (4 Kelvin), lo que puede simplificar el cableado y conducir a la construcción de ordenadores cuánticos integrados a gran escala y de alto rendimiento.
Nueva tecnología para refrigerar componentes electrónicos
Fujitsu, en colaboración con QuTech, ha desarrollado una nueva tecnología que refrigera todo el ordenador cuántico en lugar de sólo los qubits. Aprovechando la tecnología de circuitos crio-CMOS, Fujitsu diseñó junto con QuTech un circuito de aplicación de campo magnético y un circuito de conducción de microondas necesario para conducir un qubit de espín de diamante a 4 Kelvin. Al conducir este circuito de aplicación de campo magnético y el circuito de conducción de microondas en el mismo refrigerador criogénico que el qubit, Fujitsu y QuTech generaron con éxito un campo magnético y microondas lo suficientemente fuertes como para conducir el qubit de espín de diamante.
La nueva tecnología simplifica el cableado y puede contribuir algún día a la realización de ordenadores cuánticos integrados a gran escala y de alto rendimiento.
Fabio Sebastiano, investigador principal de QuTech, explica: «En el diseño de sistemas eléctricos, siempre hay un equilibrio entre rendimiento y potencia: el aumento de uno supone la disminución del otro. Nuestro reto es obtener un alto rendimiento sin limitar el consumo de energía». Masoud Babaie, investigador principal de QuTech, añade: «Esto es crucial, ya que demasiada potencia podría sobrecalentar el refrigerador criogénico utilizado para mantener el sistema a baja temperatura. Utilizamos controladores electrónicos criogénicos específicos (controladores crio-CMOS) para aliviar el cuello de botella de la interconexión: ahora necesitamos menos cables para entrar en el refrigerador criogénico, lo que mejora enormemente la escalabilidad de todo el ordenador cuántico».
Planes de futuro
Con la realización de circuitos electrónicos criogénicos para controlar bits cuánticos basados en diamante, la tecnología recién desarrollada supone un paso significativo hacia la realización de ordenadores cuánticos a gran escala. En el futuro, Fujitsu y QuTech seguirán mejorando la tecnología recién desarrollada, incluyendo la ampliación de operaciones de 1 qubit a 2 qubits, la implementación de la funcionalidad de lectura de qubits y la ampliación a procesadores cuánticos de mayor tamaño.
Notas
– [1] QuTech : QuTech es un instituto de investigación impulsado por la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft) y la Organización Holandesa de Investigación Científica Aplicada (TNO). Juntos trabajan en una tecnología radicalmente nueva con potencial para cambiar el mundo. Su misión: desarrollar prototipos escalables de ordenador cuántico y una internet cuántica intrínsecamente segura, basada en las leyes fundamentales de la mecánica cuántica.
