Imec informa sobre progresso da computação quântica

Imec relatou o progresso em direção à computação quântica. A visão de longo prazo para a computação quântica, diz Imec, é a capacidade de aproveitar milhões de qubits livres de ruído para resolver problemas selecionados que são difíceis de resolver com computadores clássicos.

Esforços mundiais estão em andamento para aumentar de centenas para milhões de qubits. Os desafios comuns incluem a integração bem controlada de qubits em instalações de wafer de grande porte e a necessidade de a eletrônica fazer interface com o número crescente de qubits.

Os circuitos quânticos supercondutores surgiram como indiscutivelmente a plataforma mais desenvolvida. Os estados de energia dos qubits supercondutores são relativamente fáceis de controlar, e os pesquisadores conseguiram acoplar mais de cem qubits.

Isso permite um nível cada vez maior de emaranhamento – um dos pilares da computação quântica. Além disso, qubits supercondutores com longos tempos de coerência (até vários 100 µs) e fidelidades de porta suficientemente altas – duas referências importantes para a computação quântica – foram demonstrados em ambientes de laboratório em todo o mundo.

Em 2022, os pesquisadores do imec alcançaram um marco significativo na realização de um processo CMOS de 300 mm para a fabricação de qubits supercondutores de alta qualidade. Mostrar que a fabricação de qubit de alto desempenho é compatível com processos industriais aborda a primeira barreira fundamental para o aumento de escala, ou seja, maior variabilidade e rendimento. Entre os desafios restantes está a necessidade de desenvolver instrumentação escalável para interagir com o número crescente de qubits supercondutores sensíveis ao ruído.

No longo prazo, muito se espera dos qubits baseados em spin de Si. Os qubits de spin Si são mais difíceis de controlar do que os qubits supercondutores, mas são significativamente menores (tamanho nm vs. tamanho mm) – dando uma vantagem para o aumento de escala.

Além disso, a tecnologia é altamente compatível com tecnologias de fabricação CMOS, oferecendo uniformidade em escala de wafer com interconexão avançada de back-end das estruturas de pontos quânticos de Si.

No entanto, estruturas de pontos quânticos baseadas em Si fabricadas com técnicas de fabricação industrial normalmente exibem um ruído de carga mais alto. Seu pequeno tamanho físico também torna a interconexão de controle qubit para qubit e qubit para clássico mais desafiadora.

O tão necessário aumento de qubits requer soluções versáteis e escaláveis ​​para controlá-los e ler resultados significativos. Nos primeiros processadores quânticos de hoje, circuitos eletrônicos externos são usados ​​com pelo menos uma linha de controle por qubit, indo do estágio de temperatura ambiente até o estágio de temperatura mais baixa do refrigerador de diluição que contém os qubits.

Esta temperatura base é tão baixa quanto dez miliKelvin (mK) para sistemas de computação quântica supercondutores. Tal abordagem pode ser usada para até alguns milhares de qubits, mas não pode ser sustentada para computadores quânticos de grande escala que requerem operações de circuito dinâmico, como correção de erros quânticos.

Não apenas as linhas de controle e leitura contribuem para um enorme gargalo de E/S no nível do refrigerador de diluição, mas cada fio também traz calor para o sistema criogênico, sem sobrar orçamento para resfriá-los.

Uma solução atraente é usar crioeletrônica baseada em CMOS que mantém elementos de (des) multiplexação de RF operando na temperatura base do refrigerador de diluição. Essa solução alivia o gargalo de E/S, pois o número de fios que vão da temperatura ambiente até a temperatura mK pode ser significativamente reduzido.

Para a leitura, por exemplo, os multiplexadores permitiriam que vários sinais de um grupo de dispositivos quânticos fossem comutados para uma linha de saída comum na temperatura base do refrigerador de diluição antes de sair do refrigerador.

Esta abordagem já foi demonstrada para sistemas quânticos de spin qubit de Si. No entanto, até agora, a eletrônica criogênica não teve interface com qubits supercondutores devido à sua tolerância significativamente menor ao ruído eletromagnético de alta frequência. Seja na forma de calor dissipado ou de radiação eletromagnética, o ruído pode facilmente perturbar superposições quânticas frágeis e levar a erros.