La nueva fundición de superconductores brinda a la comunidad de investigación en general acceso a la experiencia del Laboratorio Lincoln en la fabricación de circuitos cuánticos.
En las últimas tres décadas, computación cuántica ha pasado de ser una fantasía teórica a una industria mundial, acercándose a una tecnología que algún día podría resolver problemas demasiado complejos incluso para las supercomputadoras más poderosas.
Laboratorio Lincoln del MIT no solo está a la vanguardia de la investigación, sino que también hace que la investigación cuántica sea accesible a una comunidad más amplia a través de sus Qubits superconductores en Lincoln Laboratory (SQUILL) Foundry.
Esta oblea superconductora de qubit de 200 milímetros se fabricó a través de Superconducting Qubits at Lincoln Laboratory (SQUILL) Foundry. SQUILL Foundry está ampliando el acceso a la investigación cuántica mediante la fabricación de circuitos cuánticos de alta calidad para organizaciones de investigación de EE. UU. Crédito de la imagen: Nicole Fandel / MIT
Los bits cuánticos (qubits) son componentes básicos de las computadoras cuánticas, como lo son los transistores para las computadoras clásicas. Hay muchas formas de hacer un qubit; uno de los más prometedores son los qubits superconductores, que se generan utilizando circuitos hechos de elementos superconductores.
Los qubits se fabrican utilizando técnicas similares a la fabricación de microelectrónica convencional, como depositar y grabar películas metálicas delgadas sobre un sustrato. Luego, se operan a temperaturas cercanas al cero absoluto para formar «átomos artificiales».
Hacer realidad la promesa de la computación cuántica requiere investigación y experimentación fundamentales utilizando estos y otros qubits. Pero los qubits superconductores son difíciles de construir, y una barrera importante para los científicos que desean continuar con esta investigación son las herramientas costosas y los procesos especializados necesarios para fabricar los circuitos.
Los qubits superconductores se fabrican en el Laboratorio de Microelectrónica (ML) del MIT Lincoln Laboratory. ML es una de las fundiciones más capaces del gobierno de EE. UU. y cuenta con la acreditación Trusted Foundry y la certificación ISO-9001. Créditos de la imagen: Jon Barron / MIT
La Fundición SQUILL se puso de pie para eliminar esta barrera. Patrocinado por el Laboratorio de Ciencias Físicas (LPS) Colaboratorio Qubit, una iniciativa cuántica nacional-financiado por el centro, el programa pone a disposición de las instituciones que trabajan en investigaciones financiadas por el gobierno de los EE. UU. las capacidades de fabricación de vanguardia de Lincoln Laboratory sin costo alguno.
Los investigadores pueden enviar diseños de circuitos cuánticos para su fabricación, y los circuitos completos se devuelven para avanzar en la investigación científica en sus instalaciones locales.
«Democratizar el acceso a la fabricación robusta y confiable de cúbits reduce drásticamente la barrera de entrada en los cúbits superconductores», dice Mollie Schwartzel investigador principal del proyecto y líder de la investigación de qubits superconductores en el Laboratorio Lincoln.
“Queremos permitir que los investigadores cuyo enfoque principal no esté en los materiales y la fabricación se centren realmente en impulsar el progreso en las áreas de investigación de qubits superconductores que más les interesen, y permitir que la comunidad aproveche algunas de las capacidades más avanzadas que tenemos. he desarrollado.”
Un usuario del programa de fundición, Universidad de Stanford Profesor David Schuster, dice que SQUILL Foundry ha permitido que su laboratorio cuántico considere experimentos que no podrían haber intentado antes debido a la complejidad de la nanofabricación requerida. “Ha permitido a mis alumnos más jóvenes diseñar y medir circuitos cuánticos complejos mucho más rápido que en el pasado”, dice Schuster.
Un área de superespecialización
Una de las principales ventajas de los cúbits superconductores es su capacidad de diseño: su dinámica e interacciones no están dictadas por la naturaleza, como las de un átomo físico, sino que están diseñadas combinando capacitores, inductores y uniones Josephson (un tipo de interruptor superconductor) en formas creativas de crear el paisaje energético de interés.
Debido a esta capacidad de diseño, los qubits superconductores representan una familia diversa de circuitos cuánticos, todos los cuales pueden verse diferentes y comportarse de maneras únicas.
Avanzar en el estado del arte en hardware qubit superconductor requiere conocimiento en una variedad de disciplinas, incluidos materiales, fabricación, diseño y simulación de circuitos, empaquetado, criogenia, medición de bajo ruido, interfaz de hardware-software y compilación cuántica.
A medida que la comprensión de los materiales y procesos ha avanzado con el tiempo, la fabricación de qubits de la más alta calidad depende cada vez más de millones de dólares en equipos de fabricación e innumerables horas de desarrollo y mantenimiento de procesos.
“Se ha vuelto cada vez más desafiante para las organizaciones individuales mantener esta pila completa de experiencia, particularmente a medida que los circuitos se vuelven más complejos de diseñar, fabricar y medir”, dice Schwartz.
“Como resultado, la investigación de hardware qubit superconductor se ha mantenido centralizada en un número relativamente pequeño de laboratorios y grandes universidades capaces de desarrollar y mantener esta experiencia”.
El Laboratorio Lincoln del MIT es uno de estos laboratorios, con más de 20 años de investigación y desarrollo en qubits superconductores y demostraciones del rendimiento de qubits líder en el mundo.
Los qubits se fabrican in situ en el Laboratorio de Microelectrónica, considerada una de las fundiciones más avanzadas del gobierno de EE. UU., y en instalaciones especializadas de creación de prototipos. La experiencia colectiva y el equipo de esta instalación han hecho posible poner de pie la Fundición SQUILL.
Desde el diseño de qubit hasta la entrega
SQUILL Foundry se ejecutó por primera vez como piloto de julio de 2021 a febrero de 2023. El programa piloto se puso a disposición de un conjunto preseleccionado de usuarios que tenían una variedad de experiencia en el campo, desde líderes de larga data hasta nuevos profesores, e incluso instituciones con instalaciones de fabricación sofisticadas y aquellas con fabricación limitada o sin recursos de fabricación.
Los usuarios recibieron una guía de reglas de diseño y muestras de archivos de diseño físico para proporcionar un punto de partida para sus diseños. También recibieron un chip «vela qubit» de alta calidad que permite a los usuarios calificar sus aparatos de medición cuántica en el hogar.
“Es un chip en el que ya hemos realizado mediciones, y luego pueden medir el mismo chip en sus sistemas para asegurarse de que esos sistemas cumplan con las expectativas”, dice Cyrus Hirjibehedin, quien dirigió las interacciones con los usuarios para el proyecto. «En general, el proceso ha ido muy bien y hemos recibido comentarios abrumadoramente positivos de nuestros usuarios».
Los usuarios enviaron diseños personalizados a SQUILL Foundry y recibieron de vuelta dispositivos fabricados unidos por cable en paquetes criogénicos. Luego, los usuarios aprovecharon estos dispositivos para la investigación científica, lo que resultó en 13 presentaciones y cuatro artículos científicos en preparación o impresión, con más por venir a medida que avanza la investigación.
“Ciertamente hay una curva de aprendizaje cuando uno está acostumbrado a fabricar dispositivos internamente, pero el apoyo y la información proporcionados por la fundición para ayudar a los usuarios en el proceso han sido fenomenales”, dice Profesor Machiel Blok, quien dirige un grupo de investigación en la Universidad de Rochester. La fundición ayudó a su grupo a superar un retraso de años causado por la pandemia en la fabricación de procesadores cuánticos en sus instalaciones.
Profesor Kater Murch de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri, dice que participar en el programa permitió a su equipo diseñar, configurar y medir dispositivos mucho más allá de sus capacidades normales.
“Estamos finalizando los resultados iniciales de nuestros primeros proyectos, pero el trabajo que hemos realizado en el laboratorio para que nuestros dispositivos funcionen nos coloca varios años por delante de donde hubiéramos estado sin el programa”, dice Murch.
Paralelamente, el laboratorio trabajó para hacer la transición de su proceso de fabricación de qubits de obleas de creación de prototipos de 50 milímetros (el sustrato sobre el que se fabrican los circuitos) a obleas a escala de producción de 200 mm.
“Además de brindarnos más bienes raíces en la oblea, la transición nos permite tener un mejor control del proceso y utilizar equipos automatizados y recursos más limpios, con menos manipulación humana directa de la oblea”, dice Jeffrey Knecht, líder de fabricación de SQUILL Foundry.
Abriendo las puertas a la comunidad investigadora
Sobre la base del éxito del piloto, SQUILL Foundry está en transición a un proyecto completo de cuatro años, abriendo las puertas a la comunidad de investigación más amplia en un modelo de acceso por aplicación que está disponible para cualquier proyecto de investigación de qubit superconductor aprobado por el patrocinador respaldado por una subvención del gobierno de EE.
“Los chips Qubit del esfuerzo de fundición del Laboratorio Lincoln ya han ayudado a nueve grupos de investigación en todo el país a realizar sus ideas y acelerar su investigación”, dice Charles Tahan, director de LPS Qubit Collaboratory. «LPS se complace en apoyar la expansión del programa Qubits for Computing Foundry para llevar qubits de clase mundial a muchos más investigadores y estudiantes».
La fundición a gran escala implementará capacidades más avanzadas, incluidas matrices compactas de uniones Josephson e integración de chip invertido (un método compacto para conectar múltiples circuitos), para permitir diseños de cúbits más avanzados. Se desarrollarán capacidades adicionales con la participación de los usuarios y estarán disponibles a medida que avance el programa SQUILL Foundry, para garantizar que la fundición continúe satisfaciendo las necesidades cambiantes de la comunidad.
Más de 20 grupos de investigación están preparados para aprovechar la fundición a medida que se expande el modelo de acceso, y se espera que este número crezca con el tiempo. Schwartz dice que está especialmente interesada en explorar caminos para trabajar con escuelas que no tienen los recursos para comprar y mantener equipos de fabricación.
“Hay estudiantes increíblemente talentosos y creativos en todo el país que actualmente no pueden participar en la investigación de hardware qubit superconductor, pero cuyos descubrimientos podrían cambiar la forma en que pensamos sobre esta tecnología. Reducir la barrera de entrada permitirá que algunas de estas instituciones formen grupos de investigación de qubits superconductores, lo que ayudará a exponer a más estudiantes a la investigación cuántica y expandirá nuestra fuerza laboral a medida que crezca la industria”, dice Schwartz.
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