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Proyecto mexicano-alemán desarrollará circuitos que funcionen a muy bajas temperaturas para cómputo cuántico

Santa María Tonantzintla, Puebla, a 20 de febrero de 2019. Comprender la Física  que pudiera dar paso a la tecnología informática del futuro es una de las metas de grupos científicos en todo el orbe. Un proyecto multidisciplinario mexicano-alemán se ha fijado el reto de desarrollar, probar y caracterizar circuitos integrados que funcionen a temperaturas cercanas al cero absoluto, lo que podría sentar las bases para el desarrollo de sistemas completos de cómputo cuántico.

Dicho proyecto es liderado por el Dr. Daniel Durini, investigador del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), y cuenta con la participación de investigadores y estudiantes tanto de este Instituto como del Centro de Investigaciones de Jülich, Alemania.

La colaboración entre los científicos de ambos países se da gracias al Dr. Durini, quien trabajó en el Instituto Central de Sistemas Electrónicos (ZEA-2) de Jülich, donde dirigió el área de Sistemas de Detectores, y ha fungido como enlace de la misma.

La investigación en el INAOE se lleva a cabo a través de una colaboración estratégica del Laboratorio de Criogenia del GTM (LCG), a cargo del Dr. Daniel Ferrusca y la participación del Dr. Miguel Velázquez De la Rosa, y los investigadores de la Coordinación de Electrónica el Dr. Edmundo Gutiérrez y el Dr. Javier De la Hidalga, expertos en la caracterización y el estudio del comportamiento de dispositivos microelectrónicos a temperaturas criogénicas, y del mismo Dr. Durini. El LCG cuenta con los instrumentos y criostatos necesarios para hacer investigación de dispositivos a temperaturas de hasta 250 milikelvin.

El proyecto, que abarca el estudio del comportamiento de dispositivos microelectrónicos fabricados en diversas tecnologías CMOS avanzadas de fabricación a temperaturas criogénicas, es financiado por el INAOE, el Centro de Investigaciones de Jülich y la compañía Global Foundries, que suministra las obleas con estructuras de prueba con diferentes tecnologías CMOS avanzadas adicionales a la elegida actualmente por el grupo de Jülich. Con todo, la inversión no es grande: "con poco dinero y mucho conocimiento estamos tratando de aparecer en el mapa de las personas que están en el camino de la computación cuántica, comenta el líder del proyecto".

El Dr. Durini estudió Ingeniería Electrónica en la UNAM, es egresado de la maestría en Electrónica del INAOE y tiene un doctorado en Microelectrónica por la Universidad de Duisburg-Essen, Alemania, que obtuvo en colaboración con el Instituto Fraunhofer de Circuitos y Sistemas Microelectrónicos (IMS) de dicho país. Fue investigador y jefe de grupo en el Fraunhofer IMS durante nueve años y después pasó a formar parte del Centro de Investigaciones de Jülich, donde trabajó entre principios del 2014 y el 2018.

El cómputo actual está basado en un sistema binario en el cual los bits pueden tener un valor de 0 o de 1. En el cómputo cuántico, la partícula cuántica (por ejemplo, un electrón) puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 a la vez ocupando dos estados ortogonales. Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de cúbits creados. La computación cuántica está basada en la superposición, que es la generación de una interacción entre dos electrones que se influyen uno al otro.

"Hoy en día, la manipulación de las partículas para producir cúbits solo se puede realizar a temperaturas muy bajas, casi del cero absoluto, de algunos cientos de milikelvins. Esto se hace manipulando ya sea materiales superconductores o semiconductores de los grupos III y V. Desde hace unos diez años hay un gran auge en la investigación de la generación de los llamados quantum-bits, qubits en inglés o cúbits en español", agrega el investigador.

Empresas y países en todo el mundo están realizando fuertes inversiones para el desarrollo del cómputo cuántico. Alemania no es la excepción. En Jülich, gran parte del trabajo se concentra en la investigación de los principios básicos de hardware. "El Instituto Central de Sistemas Electrónicos (ZEA-2) está colaborando con el profesor Hendrik Bluhm, de la Universidad de Aachen (RWTH Aachen), quien trabaja con los semiconductores de los grupos III y V (por ejemplo, GaAs o SiGe) desde hace muchos años. Están tratando de generar circuitos integrados y sistemas electrónicos para la manipulación y lectura de los cúbits creados", refiere el Dr. Durini.

El científico añade que, como los cúbits sólo pueden generarse y manipularse a temperaturas criogénicas muy bajas, lo mismo pasa con los circuitos integrados que se desarrollan para su manipulación y lectura: "Y aquí viene el gran desafío, ya que hasta el momento no había habido la necesidad de operar circuitos integrados a temperaturas tan bajas. Estamos investigando cómo funcionan los dispositivos y los circuitos electrónicos en estas condiciones porque hay muchos cambios. Estamos por debajo del punto de congelamiento, ya no hay fonones, lo cual significa que el comportamiento de los electrones cambia mucho a nivel cuántico".

El Dr. Durini informa que en Jülich se trabaja en el desarrollo de los primeros circuitos, pero que carecen de modelos que funcionen a las temperaturas descritas para simularlos y diseñarlos. Por ello, el INAOE se ocupará de los dispositivos de prueba y de la caracterización de los mismos a temperaturas de hasta 250 milikelvins, aprovechando la infraestructura del Laboratorio de Criogenia del GTM.

El INAOE ya envió a Jülich al primer estudiante de doctorado, Alfonso Cabrera, quien durante los próximos seis meses diseñará el circuito que después será caracterizado aquí. La meta es obtener las curvas de caracterización de los diferentes dispositivos, poderlos modelar, explicar los diferentes fenómenos que pudiéramos encontrar y generar un conjunto de modelos que pueden utilizar los diseñadores de circuitos para diseñar circuitos y sistemas que funcionen a esas temperaturas.

Para el Dr. Daniel Durini es fundamental aprovechar las tendencias y oportunidades que se están presentando. "Nunca vamos a poder competir con la inversión que se hace en otros países donde están tratando de desarrollar la ciencia básica en general y sistemas de cómputo cuántico en particular a este nivel. Sin embargo, a partir del conocimiento que tenemos y de la infraestructura con la que contamos, México puede poner su bandera y subirse al tren de una tecnología que definitivamente es la que en los próximos diez años va a comenzar a dominar el mundo".