A computação quântica pode oferecer um universo totalmente novo de possibilidades, mas também apresenta um desafio gigantesco. Investigadores e engenheiros tiveram de recomeçar do zero e revolucionar a forma como os processadores são construídos.
Neste contexto, qualquer tecnologia comprovada que possa ser utilizada para impulsionar a investigação é uma dádiva. O projeto MOS-QUITO focou-se numa dessas tecnologias para criar processadores quânticos escaláveis: a tecnologia de silício. O objetivo da equipa é demonstrar que os dispositivos quânticos baseados em silício podem ser fabricados inteiramente utilizando uma plataforma CMOS compatível com a indústria. Exploraram também a possibilidade de desenvolver componentes eletrónicos CMOS tradicionais capazes de operar a temperaturas muito baixas e servir como hardware de controlo para processadores quânticos.
"O projeto baseia-se em anos de investigação fundamental, que nos proporcionaram conhecimentos importantes sobre as propriedades eletrónicas a baixas temperaturas (subkelvin) de transístores semicondutores de óxido metálico complementares e, mais especificamente, de dispositivos de transístores baseados na tecnologia de silício sobre isolante", explica Silvano De Franceschi, coordenador do projeto em representação da Comissão Francesa de Energia Atómica e Energias Alternativas.
A premissa do projeto é que a utilização da tecnologia de silício para a computação quântica pode alavancar as capacidades de integração em larga escala de uma indústria já consolidada. Como sublinha De Franceschi, "O objectivo dos computadores quânticos é resolver problemas práticos que os computadores actuais não conseguem resolver e, para isso, necessitam de um número muito grande de qubits físicos. Aproveitar a tecnologia de silício parece uma opção atractiva para atingir esse objectivo.".
Ao longo do projeto, De Franceschi e a sua equipa projetaram e testaram diversos qubits de spin de silício; qubits que dependem do grau de liberdade de spin de uma carga eletrónica localizada para armazenar informação quântica durante longos períodos. De seguida, utilizaram uma linha de fabrico CMOS de 300 mm em Grenoble. O objetivo foi demonstrar que qubits de spin de silício de alta qualidade podem ser fabricados utilizando processos CMOS padrão da indústria numa instalação de nanofabricação em larga escala.
Não foi um processo fácil, como explica De Franceschi: "As principais dificuldades foram encontradas no fabrico dos dispositivos. Alguns novos processos de fabrico tiveram de ser desenvolvidos e problemas inesperados na produção causaram alguns atrasos. Além disso, tivemos atrasos devido a problemas com os equipamentos.".
Outro objectivo importante do MOS-QUITO foi o desenvolvimento de um conjunto de dispositivos baseados em CMOS, tais como amplificadores de baixo ruído, circuladores e multiplexadores. Estes poderiam ser utilizados como componentes eletrónicos periféricos de baixa temperatura para melhorar o controlo e a leitura de qubits. “Ao partilhar a mesma tecnologia CMOS, os qubits e pelo menos parte da electrónica de controlo poderiam até ser co-integrados no mesmo chip. Esta oportunidade única poderá ser particularmente útil para o desenvolvimento de circuitos de leitura rápidos e escaláveis”, destaca De Franceschi.
Trabalho em curso:
O projeto tem sido especialmente frutífero, com um total de 55 publicações e sete pedidos de patente. Para além de demonstrar e estudar a primeira tecnologia CMOS baseada em qubits, o projeto publicou demonstrações de prova de conceito de diversos circuitos CMOS criogénicos com funcionalidades variadas. Este trabalho é fundamental para o desenvolvimento de computadores quânticos de grande escala, uma vez que a informação quântica armazenada em qubits pode degradar-se rapidamente e tornar-se inutilizável se não for arrefecida a temperaturas próximas do zero absoluto.
Outras realizações incluem o desenvolvimento e a otimização de técnicas de leitura de spin baseadas em: refletometria de portas; melhor compreensão e utilização da ressonância de dipolo elétrico de spin para buracos e eletrões; e resultados iniciais sobre o controlo de carga em quádruplos quânticos baseados em CMOS.
Embora o projeto MOS-QUITO tenha terminado em setembro de 2019, os trabalhos continuam em dois projetos subsequentes. Estes projetos, QuCube (apoiado por uma bolsa Synergy do Conselho Europeu de Investigação) e QLSI (financiado pela Flagship Initiative on Quantum Technologies), visam aproximar os qubits de silício da computação quântica escalável.
