MIT instala sistema avanzado de deposición molecular para impulsar el desarrollo de computadoras cuánticas

Científicos e ingenieros de todo el mundo trabajan para mejorar los bits cuánticos, o qubits, los componentes minúsculos que constituyen las computadoras cuánticas, según MIT. Los qubits son increíblemente sensibles, lo que facilita la introducción de errores y reduce el rendimiento de los dispositivos. Sin embargo, una nueva herramienta instalada en MIT.nano introduce capacidades que permitirán a los investigadores continuar los avances en el rendimiento de los qubits, según la institución.

Lo que parece un accesorio de película de ciencia ficción es en realidad un sistema de epitaxia por haces moleculares (MBE, por sus siglas en inglés) de última generación construido a medida: un sistema de deposición física de vapor que opera bajo vacío ultraalto para producir películas delgadas de alta calidad, según MIT. Con la capacidad de cultivar diferentes materiales cristalinos en una oblea, la herramienta apoyará a investigadores cuánticos y científicos de materiales al permitirles estudiar cómo el crecimiento de películas afecta las propiedades de los materiales utilizados en la fabricación de qubits.

"Para realizar la promesa completa de la computación cuántica, necesitamos construir qubits que sean robustos, reproducibles y extensibles", dijo William D. Oliver, profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación y profesor de física en MIT, según la institución. "Hasta la fecha, la mayoría de las mejoras en el rendimiento de los qubits superconductores son rastreables al diseño de circuitos, esencialmente, diseñar circuitos de qubits que sean menos sensibles al ruido ambiental. Sin embargo, esas mejoras han seguido en gran medida su curso. En el futuro, necesitamos abordar la ciencia fundamental de materiales y la ingeniería de fabricación requeridas para reducir las fuentes de ruido ambiental. Este sistema MBE de cámara múltiple, cargado por casete, de obleas de 200 milímetros es exactamente la herramienta correcta en el momento correcto. Y no hay mejor lugar para hacer esta investigación que en MIT.nano", agregó Oliver.

MIT.nano está precondicionado para recibir este tipo de sistema con espacio físico, controles climáticos, políticas y procedimientos para investigadores, y personal experto para gestionar el laboratorio, según la institución. A través de un plan de soporte de equipos, el grupo de Sistemas Cuánticos de Ingeniería (EQuS) de Oliver puede instalar y operar la herramienta dentro de MIT.nano, un entorno de alto rendimiento, seguro y confiable.

Un entorno controlado es esencial para el MBE. "Piense en este sistema como una Estación Espacial Internacional (ISS) invertida", explicó Patrick Strohbeen, científico investigador del grupo EQuS, según MIT. "La ISS es una pequeña cámara de atmósfera rodeada por el vacío del espacio. Este sistema MBE es una cámara de vacío a nivel espacial rodeada de atmósfera". Ese vacío espacial se mantiene a una temperatura constante de menos 90 grados Celsius, lo que permite el crecimiento preciso de películas delgadas a escala atómica, según la institución. Es la cámara de deposición individual más grande (1 metro de diámetro) que el fabricante, DCA, ha vendido en Estados Unidos.

El sistema, que en total ocupa 600 pies cuadrados, está compuesto por seis cámaras, según MIT. Primero está la esclusa de carga, donde la oblea se coloca en el sistema y se reduce desde la presión atmosférica hasta cerca del nivel de vacío del espacio. Luego, la oblea entra al centro de distribución. Este espacio actúa como un centro central, transfiriendo las obleas a otras cámaras. A continuación está la cámara de deposición o "crecimiento". Aquí es donde tiene lugar la función principal del sistema: depositar materiales, específicamente átomos de metal superconductor, sobre un sustrato, típicamente silicio. Desde allí, se mueve a la cámara de oxidación, que facilita el crecimiento de materiales cerámicos clave para los qubits. Una quinta cámara de almacenamiento puede contener 10 obleas adicionales dentro del vacío, según la institución.

Un aspecto único de este sistema es su sexta cámara, diseñada para espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), según MIT. Usando esta cámara, los investigadores pueden disparar un fotón en forma de rayos X a la superficie y, cuando golpea la superficie, excitará el electrón dentro del material para que el electrón salte y sea captado por un sensor que luego informa al investigador sobre el entorno del que provino el electrón. A medida que se depositan capas individuales de átomos en la cámara de crecimiento, los científicos pueden mover la oblea a la cámara XPS para medir cambios en la estructura del material de la película y volver nuevamente, todo mientras se mantiene dentro del espacio de vacío.

"La comunidad cuántica tiene excelentes físicos de dispositivos e ingenieros de dispositivos", dijo Strohbeen, según MIT. "La última pieza del rompecabezas es: necesitamos entender la plataforma de materiales que estamos usando para estos dispositivos". Las interfaces enterradas, hasta ahora, han sido poco estudiadas debido a la dificultad para sondearlas, explicó.

Con este sistema, específicamente la cámara XPS, los científicos pueden estudiar las interfaces de materiales enterrados sin perturbar los entornos físicos o químicos, según la institución. "Es un patio de recreo para científicos de materiales", bromeó Strohbeen, un espacio controlado donde los investigadores pueden aprender y explorar las interacciones de los materiales dentro de capas de átomos.

Cuando Oliver, quien también es director del Centro MIT para Ingeniería Cuántica, aseguró el MBE Quantum, la siguiente pregunta fue dónde colocarlo, según MIT. MIT.nano alberga 45,000 pies cuadrados de sala limpia, y esta instalación existe en MIT para apoyar equipos complejos y sensibles con tanto la infraestructura como el personal necesario para mantenerla.

"Las utilidades de construcción ultrastables de MIT.nano y el entorno de laboratorio son exactamente lo que se necesita para apoyar un sistema que exige repetibilidad y pureza extremas", dijo Nick Menounos, director asociado de infraestructura de MIT.nano, según la institución. "El éxito de esta instalación creció a partir de la colaboración temprana. El profesor Oliver involucró al equipo de MIT.nano en el proceso de adquisición casi dos años por adelantado. Esa previsión, combinada con el impulso de infraestructura que ganamos del reciente proyecto de la Ley CHIPS, significó que pudimos preparar la sala limpia perfectamente. Comprimimos el proceso de instalación que normalmente toma varios meses y tuvimos esta máquina extraordinaria funcionando en menos de tres semanas".

"Desde el principio, el personal de MIT.nano fue útil, conocedor y dispuesto a ir más allá para hacer que esto sucediera", dijo Oliver, según MIT. "Si bien la instalación MIT.nano es ciertamente una joya de la corona infraestructural en MIT, es el personal de MIT.nano quien la convierte en el tesoro nacional que es hoy".

Posicionar el MBE Quantum en la sala limpia ayuda al equipo a enfocarse en la escalabilidad y el rendimiento del dispositivo, según la institución. La humedad y el recuento de partículas, dos cosas cuidadosamente medidas y mantenidas en MIT.nano, pueden afectar la salida del dispositivo. Minimizar tantas variables como sea posible es clave para mejorar el rendimiento de los qubits. La sala limpia también permite nueva investigación de dispositivos porque una variedad de herramientas de fabricación y metrología están disponibles sin tener que abandonar el entorno limpio.

"Estamos realmente emocionados de ver qué podemos hacer con él", dijo Strohbeen, según MIT. "Lo compramos como una herramienta de ciencia de materiales, y también será una herramienta de desarrollo de dispositivos debido a la flexibilidad de tenerla en la sala limpia".

El sistema MBE fue comprado a través de una combinación de subvenciones de la Oficina de Investigación del Ejército (ARO) y del Laboratorio de Ciencias Físicas (LPS), según MIT. La subvención ARO, una subvención del Programa de Instrumentación de Investigación Universitaria de Defensa, es la subvención principal de ARO para financiar compras de equipos de capital grande que deberían resultar disruptivos en áreas tecnológicamente relevantes. Llega en un momento importante en el campus, ya que una de las iniciativas estratégicas de MIT, la Iniciativa Cuántica de MIT, tiene como objetivo aplicar avances cuánticos a los desafíos más trascendentales en ciencia, tecnología, industria y seguridad nacional, según la institución.