¿Cómo es el laboratorio de chips cuánticos del CSIC en Barcelona?

España acaba de estrenar en Barcelona su infraestructura de investigación más avanzada para fabricar chips y dispositivos cuánticos. Está en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona, el IMB-CNM, perteneciente al CSIC, y su objetivo va bastante más allá de añadir otra sala repleta de maquinaria sofisticada: permitirá fabricar, medir y probar estructuras a escala nanométrica con una precisión hasta ahora difícil de alcanzar en el país.

El nuevo espacio es el Área de Nanofabricación Cuántica de la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del IMB-CNM. La remodelación ha supuesto una inversión superior a 6 millones de euros y pone a disposición de investigadores y empresas equipos capaces de trabajar sobre componentes diminutos, esenciales para desarrollar futuros procesadores cuánticos, sensores, sistemas de comunicaciones seguras y semiconductores avanzados.

No significa que Barcelona vaya a empezar a producir ordenadores cuánticos en serie la semana que viene. Ni mucho menos. Lo importante está en otro punto: España gana capacidad para recorrer el tramo que separa una buena idea de laboratorio de un dispositivo que realmente pueda fabricarse, repetirse y, algún día, llegar a aplicaciones industriales.

Una sala blanca donde una mota de polvo resulta enorme

La nueva instalación se encuentra dentro de la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del IMB-CNM, un entorno en el que temperatura, humedad, presión y partículas suspendidas en el aire están sometidas a un control extremo. Aquí una mota que en cualquier habitación pasaría completamente inadvertida puede convertirse en un elefante sentado encima de un circuito.

No es una exageración demasiado grande. En determinadas zonas de estas instalaciones se trabaja con entre 100 y 10.000 partículas por pie cúbico de aire. Una habitación convencional puede superar ampliamente el millón. La obsesión por la limpieza tiene una explicación bastante terrenal: cuando se fabrican elementos de apenas unas decenas de nanómetros, una contaminación microscópica puede arruinar el proceso.

El área recién inaugurada incorpora equipamiento de nanolitografía y metrología nanométrica, dos conceptos que, traducidos al castellano corriente, significan básicamente dibujar estructuras increíblemente pequeñas y comprobar después si se han fabricado exactamente como se pretendía.

Entre las nuevas máquinas destaca el EBPG 5150Plus, presentado por el centro como el sistema de litografía por haz de electrones más avanzado instalado actualmente en España. La litografía electrónica utiliza un haz de electrones para definir patrones diminutos sobre determinados materiales. Es una especie de lápiz extraordinariamente fino, aunque aquí la hoja de papel es una oblea de semiconductor y las líneas pueden medirse en nanómetros.

Qué puede fabricar realmente el nuevo laboratorio

La infraestructura está preparada para desarrollar estructuras, dispositivos y circuitos nanométricos vinculados tanto a la microelectrónica avanzada como a las tecnologías cuánticas. También dispone de nuevos sistemas de inspección, entre ellos equipos SEM/EBL y microscopía de fuerza atómica, conocida por sus siglas AFM.

Esta última tecnología permite estudiar superficies diminutas mediante una punta extremadamente fina que recorre el material y registra sus irregularidades. A semejante escala, ver ya no significa necesariamente mirar: a veces significa tocar casi átomo a átomo.

Uno de los campos especialmente interesantes es el de los cúbits de espín basados en semiconductores. Un cúbit es la unidad básica de información de un ordenador cuántico. Frente al bit convencional, limitado a los estados 0 o 1, un sistema cuántico puede aprovechar fenómenos como la superposición para trabajar con combinaciones de estados.

El IMB-CNM investiga cómo producir estos cúbits utilizando técnicas heredadas de la fabricación tradicional de chips de silicio. Y ahí reside buena parte del atractivo. En lugar de inventar desde cero una industria completamente distinta, los investigadores intentan aprovechar décadas de conocimiento acumulado en tecnología microelectrónica.

Para fabricar determinados cúbits semiconductores es necesario construir puntos cuánticos capaces de confinar electrones individuales. Algunos pueden tener aproximadamente 30 nanómetros de tamaño, muchísimo menos que el grosor de un cabello humano.

Después hay que colocar nanoelectrodos con enorme precisión, controlar eléctricamente el electrón y conseguir que el procedimiento funcione una vez, otra y otra. Fabricar un dispositivo excepcional en un laboratorio es una cosa; producir muchos dispositivos equivalentes y fiables es el salto que convierte una demostración científica en tecnología utilizable.

Ahí la nueva infraestructura cobra sentido. La carrera cuántica no consiste únicamente en acumular cúbits en una presentación corporativa. También exige aprender a fabricar componentes estables, reproducibles y escalables. Sin esa parte menos vistosa —litografía, materiales, metrología, control de procesos— el ordenador cuántico termina pareciéndose demasiado a un coche espectacular sin cadena de montaje.

Por qué los semiconductores interesan tanto en la carrera cuántica

No existe una única manera de construir un ordenador cuántico. Hay sistemas basados en circuitos superconductores, fotones, iones atrapados y diferentes tecnologías semiconductoras. Cada plataforma tiene ventajas, problemas y limitaciones, además de un considerable catálogo de dolores de cabeza científicos.

Los cúbits de espín en semiconductores ofrecen una posibilidad especialmente atractiva: son muy pequeños y pueden aprovechar procesos próximos a los empleados por la industria convencional de los chips. Si esa compatibilidad se consolida, podría facilitar el salto hacia procesadores con un número mucho mayor de cúbits.

El tamaño importa. Mucho. Los investigadores del IMB-CNM consideran que, a largo plazo, un procesador formado por millones de cúbits semiconductores podría integrarse en superficies comparables a las de los chips actuales. Llegar hasta ahí sigue siendo un desafío enorme; los dispositivos deben mantener sus propiedades cuánticas y funcionar con una precisión extraordinaria.

También requieren temperaturas extremadamente bajas. Algunos diseños de cúbits de espín pueden trabajar alrededor de 1 kelvin, aproximadamente -272 grados centígrados. Para la vida cotidiana sigue siendo un frío casi marciano, pero desde el punto de vista de la ingeniería cuántica puede presentar ciertas ventajas frente a arquitecturas que necesitan condiciones aún más exigentes.

Más de seis millones para entrar en el mapa europeo

La transformación del área ha recibido más de 6 millones de euros procedentes del Plan Complementario de Comunicaciones Cuánticas y del PERTE Chip, el gran programa español destinado a reforzar la microelectrónica y los semiconductores, con participación de fondos europeos Next Generation.

La instalación no está planteada como un laboratorio encerrado sobre sí mismo. Sus equipos estarán disponibles para la comunidad científica y tecnológica española e internacional, lo que permitirá que otros grupos puedan utilizarlos para investigación, desarrollo y prototipado.

Eso resulta especialmente relevante en el mundo de los semiconductores. La maquinaria necesaria para fabricar dispositivos avanzados tiene costes enormes y mantener pequeñas instalaciones duplicadas en cada universidad sería, por decirlo suavemente, una forma bastante imaginativa de administrar recursos públicos.

La Sala Blanca forma parte además de Micronanofabs, la Infraestructura Científica y Técnica Singular española dedicada a micro y nanofabricación. Está prevista otra ampliación en los próximos meses mediante financiación de la Generalitat de Cataluña y fondos europeos FEDER.

Barcelona gana peso en la estrategia europea de chips cuánticos

El movimiento tampoco puede entenderse únicamente en clave española. Europa lleva años intentando reducir su dependencia tecnológica exterior en semiconductores, un sector en el que Estados Unidos y, sobre todo, Asia concentran capacidades industriales críticas.

La Ley Europea de Chips ha impulsado infraestructuras, centros de competencia y líneas piloto para acercar investigación y fabricación. La expresión que suele utilizarse en el sector es pasar del lab to fab: del laboratorio a la fábrica. Parece un simple cambio de tres letras; en realidad hay miles de millones de euros entre una cosa y otra.

El IMB-CNM participa, entre otras iniciativas, en SPINS, una línea piloto europea centrada precisamente en desarrollar tecnologías cuánticas basadas en semiconductores. También participa en otros programas continentales relacionados con la fabricación avanzada y el desarrollo de procesadores cuánticos de silicio.

La lógica europea es clara: investigar no basta si luego cada prototipo depende de fábricas, equipos o procesos situados fuera del continente. La soberanía tecnológica —expresión abusada hasta el cansancio en Bruselas— adquiere un significado bastante concreto cuando hablamos de semiconductores. Quien no puede fabricar depende de quien sí puede hacerlo.

Del laboratorio al hospital, las telecomunicaciones y la seguridad

Las posibles aplicaciones de estas tecnologías van mucho más allá de construir ordenadores capaces de resolver problemas matemáticos espectaculares. La nanofabricación cuántica puede terminar influyendo en las comunicaciones, la salud, la energía, la seguridad y los sensores de alta precisión.

Los futuros procesadores cuánticos podrían utilizarse para estudiar moléculas y materiales complejos, explorar nuevas rutas para desarrollar medicamentos o abordar problemas de optimización difíciles para los ordenadores convencionales. Los sensores cuánticos, por su parte, prometen detectar variaciones extremadamente pequeñas de campos magnéticos, gravedad u otras magnitudes físicas.

Nada de eso convierte en inmediata una tecnología todavía inmadura. Conviene separar las posibilidades reales del perfume futurista que suele acompañar a cualquier cosa que lleve la palabra cuántica. El progreso está siendo rápido, sí, pero todavía existen problemas formidables relacionados con la corrección de errores, la estabilidad de los cúbits, la escalabilidad y la fabricación repetible.

El propio CSIC ha reforzado este año su organización científica en el ámbito cuántico mediante una estrategia específica y la creación del Centro de Ciencia y Tecnologías Cuánticas QuARC-CSIC, concebido para coordinar investigación, captar talento y favorecer la transferencia tecnológica. Su ecosistema se apoya también en una plataforma del organismo que reúne decenas de grupos de investigación repartidos por distintos institutos y comunidades autónomas.

Una pieza pequeña en una carrera tecnológica gigantesca

El nuevo laboratorio de Barcelona no coloca de golpe a España a la cabeza mundial de los semiconductores ni resuelve los grandes obstáculos de la computación cuántica. Sería una lectura bastante cómoda, y falsa. Pero sí elimina una carencia concreta: disponer en territorio español de herramientas avanzadas para fabricar y caracterizar dispositivos cuánticos a escala nanométrica.

Eso permite investigar mejor, formar especialistas, colaborar con empresas y participar con más peso en los proyectos europeos que están definiendo la siguiente generación de chips. También acorta esa incómoda distancia entre publicar una investigación prometedora y convertirla en un componente real.

La carrera tecnológica se juega, muchas veces, en lugares poco cinematográficos: salas silenciosas, personas cubiertas con trajes de protección, obleas del tamaño de un plato y máquinas que dibujan estructuras invisibles al ojo humano. En Barcelona acaba de abrir una de ellas. Más pequeña que una fábrica industrial, pero bastante más importante de lo que su tamaño sugiere.