La evolución de la electrónica criogénica puede mejorar la computación cuántica y mucho más
La electrónica criogénica es esencial para diversas aplicaciones científicas y tecnológicas, especialmente en el ámbito de la computación cuántica. A medida que los ordenadores cuánticos aumentan de tamaño y complejidad, la gestión de estas condiciones criogénicas se convierte en un reto. Cada cúbit requiere su propio conjunto de líneas de control y lectura, que pueden generar calor y causar interferencias. Eso hace que los cúbits abandonen su estado cuántico y comprometa la precisión de las operaciones cuánticas. Para contrarrestarlo, parte de la electrónica de control y lectura debe colocarse dentro de un criostato, un contenedor que mantiene temperaturas extremadamente bajas. De este modo, se reduce la necesidad de cables conductores del calor, pero se ve limitada por la potencia de refrigeración del criostato, que solo puede eliminar una determinada cantidad de calor. Por lo tanto, se necesitan aplicaciones eficientes desde el punto de vista energético. El equipo del proyecto de investigación financiado con fondos europeos SEQUENCE ha desarrollado transistores criogénicos específicos y modelos de transistores que reducen significativamente los márgenes de diseño para el funcionamiento de circuitos criogénicos.
Una nueva generación de electrónica criogénica
En SEQUENCE se realizaron importantes avances en la comprensión y modelización del comportamiento de los transistores en condiciones criogénicas. Los modelos avanzados de transistores, que describen con precisión la física de su funcionamiento en condiciones criogénicas, han resultado cruciales para reducir el consumo de energía en circuitos clave. Entre ellos, amplificadores de bajo ruido y sus matrices aplicados en tecnología de transistor de alta movilidad de electrones III-V», explica Lars-Erik Wernersson, coordinador del proyecto SEQUENCE. Además, estos conocimientos ayudaron al equipo a caracterizar detalladamente los transistores utilizando la tecnología silicio sobre aislante completamente agotado (FD-SOI) de 28 nm. Dichos transistores se utilizaron en convertidores de digital a analógico de 18 bits de alto rendimiento. El equipo también ha diseñado nuevos dispositivos nanoelectrónicos para mejorar la transmisión y dirección de señales en dispositivos de alta frecuencia que funcionan a temperaturas extremadamente bajas. En concreto, utilizaron nanocables fabricados a partir de semiconductores III-V para encaminar señales de radiofrecuencia a temperaturas criogénicas. Su aplicación redujo el número de contactos óhmicos necesarios, lo cual se traduce en una menor pérdida de señal.
La integración tridimensional acerca la electrónica a los cúbits
El consorcio incluyó la integración tridimensional en el proyecto, anticipando que sería una vía atractiva para escalar los sistemas cuánticos. «Las principales ventajas de esta tecnología eran la gran proximidad que se lograba entre el estado cuántico y la electrónica de control y lectura, así como la simplificación del encaminamiento de las señales», afirma Wernersson. Dicha proximidad permite a los componentes electrónicos interactuar directamente con los cúbits, controlar sus estados y leer sus respuestas. El equipo desarrolló su primera generación de circuitos utilizando la tecnología vertical de nanocables III-V. Ello permitió una integración eficaz de los transistores III-V en sustratos de silicio, ahorrando material escaso y posibilitando el uso de obleas más grandes, es decir, finas láminas de semiconductor. Dentro de los nanocables, un tipo especial de heteroestructura facilitó el funcionamiento subtérmico del transistor por debajo de la tensión umbral, contribuyendo así a la eficiencia energética del circuito. Explorando distintas opciones de la integración tridimensional, el equipo también ha desarrollado una demostración de un circuito de polarización dinámica programable con voltaje de salida de 64, un logro que ofrece flexibilidad en el control del circuito, así como un alto nivel de complejidad y programabilidad.
Más allá de la computación cuántica
«La tecnología desarrollada en SEQUENCE no solo beneficiará al desarrollo de las tecnologías cuánticas. Las empresas fabricantes de semiconductores han mostrado su interés, ya que el equipo del proyecto profundizó en la comprensión del funcionamiento de los transistores y perfeccionó los modelos de transistores que describen el comportamiento criogénico», afirma Wernersson. Según el coordinador del proyecto, la tecnología de circuitos demostrada también puede aplicarse en la tecnología espacial, donde las temperaturas oscilan entre 40 y 70 K. El equipo de SEQUENCE exploró modelos de funcionamiento de circuitos que mezclan elementos de ambos extremos —temperatura ambiente y temperaturas criogénicas—, ampliando así las aplicaciones potenciales de la tecnología. También se encontraron varios atributos en la electrónica criogénica para la computación cuántica que pueden ser útiles para las tecnologías de comunicación y radar.
Palabras clave
SECUENCIA, electrónica criogénica, transistor, semiconductor, computación cuántica, sistemas de comunicación
