Imec racconta i progressi dell'informatica quantistica

Imec ha riferito sui progressi verso il calcolo quantistico. La visione a lungo termine per l’informatica quantistica, afferma Imec, è la capacità di sfruttare milioni di qubit privi di rumore per affrontare problemi selezionati che sono difficili da risolvere con i computer classici.

Sono in corso sforzi a livello mondiale per passare da centinaia a milioni di qubit. Le sfide comuni includono l’integrazione ben controllata dei qubit in strutture per wafer di grandi dimensioni e la necessità che l’elettronica si interfaccia con il numero crescente di qubit.

I circuiti quantistici superconduttori sono emersi come probabilmente la piattaforma più sviluppata. Gli stati energetici dei qubit superconduttori sono relativamente facili da controllare e i ricercatori sono stati in grado di accoppiare insieme più di cento qubit.

Ciò consente un livello di entanglement sempre più elevato, uno dei pilastri dell’informatica quantistica. Inoltre, qubit superconduttori con tempi di coerenza lunghi (fino a diversi 100 µs) e fedeltà di gate sufficientemente elevate – due importanti parametri di riferimento per il calcolo quantistico – sono stati dimostrati in ambienti di laboratorio in tutto il mondo.

Nel 2022, i ricercatori imec hanno raggiunto un traguardo significativo verso la realizzazione di un processo CMOS da 300 mm per la fabbricazione di qubit superconduttori di alta qualità. Dimostrare che la fabbricazione di qubit ad alte prestazioni è compatibile con i processi industriali risolve il primo ostacolo fondamentale all’upscaling, ovvero una migliore variabilità e resa. Tra le sfide rimanenti c’è la necessità di sviluppare strumentazione scalabile per interfacciarsi con il numero crescente di qubit superconduttori sensibili al rumore.

Nel lungo termine, ci si aspetta molto dai qubit basati su Si-spin. I qubit con spin Si sono più difficili da controllare rispetto ai qubit superconduttori, ma sono significativamente più piccoli (dimensione in nm rispetto a dimensione in mm), offrendo un vantaggio per l’upscaling.

Inoltre, la tecnologia è altamente compatibile con le tecnologie di produzione CMOS, offrendo uniformità su scala wafer con interconnessione back-end-of-line avanzata delle strutture di punti quantici di Si.

Tuttavia, le strutture di punti quantici basate sul Si fabbricate con tecniche di produzione industriale presentano tipicamente un rumore di carica più elevato. Le loro dimensioni fisiche ridotte rendono inoltre più impegnativa l’interconnessione di controllo qubit-qubit e qubit-classico.

L’aumento tanto necessario dei qubit richiede soluzioni versatili e scalabili per controllarli e leggere risultati significativi. Nei primi processori quantistici di oggi, vengono utilizzati circuiti elettronici esterni con almeno una linea di controllo per qubit che va dallo stadio a temperatura ambiente allo stadio a temperatura più bassa del frigorifero di diluizione che contiene i qubit.

Questa temperatura di base è pari a soli dieci milliKelvin (mK) per i sistemi di calcolo quantistico superconduttori. Un simile approccio può essere utilizzato fino a poche migliaia di qubit, ma non può essere sostenuto per computer quantistici su larga scala che richiedono operazioni di circuiti dinamici come la correzione degli errori quantistici.

Non solo le linee di controllo e lettura contribuiscono a creare un enorme collo di bottiglia I/O a livello del frigorifero di diluizione, ma ogni filo porta anche calore al sistema criogenico senza alcun budget rimasto per raffreddarli.

Una soluzione interessante consiste nell'utilizzare elementi crioelettronici basati su CMOS che contengono elementi di (de-)multiplexing RF funzionanti alla temperatura di base del frigorifero di diluizione. Una soluzione di questo tipo allevia il collo di bottiglia I/O poiché il numero di cavi che vanno dalla temperatura ambiente a quella mK può essere significativamente ridotto.

Per la lettura, ad esempio, i multiplexer consentirebbero di commutare più segnali provenienti da un gruppo di dispositivi quantistici su una linea di uscita comune alla temperatura di base del frigorifero di diluizione prima di lasciare il frigorifero.

Questo approccio è già stato dimostrato per i sistemi quantistici Si spin qubit. Tuttavia, finora, l’elettronica criogenica non è stata interfacciata con i qubit superconduttori a causa della loro tolleranza significativamente inferiore al rumore elettromagnetico ad alta frequenza. Che sia sotto forma di calore dissipato o di radiazione elettromagnetica, il rumore può facilmente disturbare fragili sovrapposizioni quantistiche e portare a errori.