Chips superconductores
La superconductividad es un fenómeno en el que ciertos materiales presentan resistencia eléctrica nula cuando se encuentran por debajo de una temperatura crítica determinada. El comportamiento de los superconductores es fundamentalmente cuántico, por lo que no resulta sorprendente que algunos de los primeros trabajos que demostraron los efectos macroscópicos de la mecánica cuántica se realizaran utilizando circuitos superconductores, como los trabajos de Clarke, Devoret y Martinis, galardonados con el Premio Nobel de Física en 2025.
Más allá del ámbito académico, los ordenadores cuánticos y sensores cuánticos basados en chips superconductores se han convertido en una tecnología comercial. La computación cuántica con qubits superconductores es una de las modalidades de qubits más antiguas y consolidadas (enfoques tecnológicos para la computación cuántica). IBM ha impulsado este enfoque durante más de una década, y decenas de otros actores como Google Quantum AI, Rigetti e IQM han seguido el mismo camino con sus propias arquitecturas de chips y pilas tecnológicas.
Los superconductores también sustentan dos tipos clave de sensores cuánticos: los SQUID y los SNSPD. Los dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID, por sus siglas en inglés) se utilizan para la detección e imagen de campos magnéticos extremadamente débiles, como los emitidos por el cerebro en los equipos de magnetoencefalografía (MEG) basados en SQUID. Por su parte, los detectores superconductores de nanohilos de fotón único (SNSPD) representan el máximo rendimiento en la detección de fotones individuales, una capacidad esencial para la computación cuántica fotónica, las comunicaciones cuánticas y otras aplicaciones más allá de la industria cuántica.
La necesidad de precisión de fabricación a escala nanométrica
Para lograr una producción escalable y repetible de circuitos superconductores destinados a productos de tecnología cuántica, los actores del sector están aprovechando técnicas de fabricación de semiconductores. En estos procesos, se depositan capas de material superconductor sobre obleas semiconductoras (normalmente silicio, dióxido de silicio o zafiro) y posteriormente se les da forma en los patrones de circuito requeridos mediante distintos pasos de litografía y grabado. El material superconductor utilizado varía según el fabricante, pero suele ser aluminio, niobio o tantalio para qubits superconductores y SQUID, y a menudo compuestos como el nitruro de niobio (NbN) para los SNSPD.
Sin embargo, los chips superconductores se enfrentan a un desafío extremadamente exigente en cuanto a precisión. Tanto los SQUID como los qubits superconductores se basan en un dispositivo denominado unión de Josephson. Una unión de Josephson se forma cuando dos piezas de material superconductor están separadas por una fina barrera aislante, lo suficientemente delgada (del orden de nanómetros) como para permitir el efecto túnel cuántico. A temperaturas por debajo de la temperatura crítica del material superconductor, la carga eléctrica fluye en forma de pares de Cooper, que pueden atravesar la barrera aislante con una corriente crítica que depende del material, la temperatura y las dimensiones del dispositivo.
La corriente crítica de una unión de Josephson es exponencialmente sensible al grosor de la barrera aislante. Como resultado, variaciones a escala de ángstroms (~0,1 nm) en el espesor del material aislante depositado pueden provocar variaciones de varios puntos porcentuales en la corriente crítica, lo que a su vez genera variaciones similares en la frecuencia del qubit superconductor. Las variaciones de frecuencia entre qubits pueden reducir el rendimiento del chip cuántico o complicar su operación.
Además, el desafío no termina ahí. Investigaciones recientes sugieren que los efectos en las interfaces de los materiales pueden provocar ruido y variaciones adicionales en la frecuencia de los qubits. Por ello, se requieren técnicas de microfabricación que vayan más allá del estado del arte actual para producir qubits superconductores de alta calidad a la escala necesaria para la computación cuántica comercial. El informe completo Materials for Quantum Technologies profundiza en las distintas soluciones propuestas por la industria, incluyendo nuevos métodos de fabricación y encapsulado, arquitecturas de chiplets y diagnósticos automatizados.
Perspectiva de mercado
Los SQUID, los SNSPD y la computación cuántica basada en superconductores se encuentran entre las tecnologías cuánticas más maduras y mejor documentadas. No obstante, el trabajo para mejorar la calidad y la escalabilidad de la fabricación de chips cuánticos superconductores está lejos de haber concluido. Las técnicas capaces de fabricar de forma consistente uniones de Josephson con una precisión inferior al nanómetro, minimizando al mismo tiempo los defectos y las variaciones en las interfaces de los materiales, serán clave para mejorar el tiempo de coherencia y la fidelidad de los qubits en todo el chip.
En este artículo hemos explorado algunos de los desafíos en la fabricación de chips superconductores para computación y detección cuántica. El informe “Materials for Quantum Technologies 2026-2046: Market, Trends, Players, Forecasts” cubre de forma exhaustiva las oportunidades relacionadas con los materiales en los tres principales verticales del mercado cuántico (computación, sensores y comunicaciones), así como en las plataformas de materiales más relevantes (chips superconductores, fotónica y nanomateriales). Este análisis multidimensional pone de relieve las intersecciones entre distintos productos y destaca oportunidades clave en materiales para la industria cuántica, como la necesidad de una fabricación más precisa de chips superconductores, tal y como se ha introducido en este artículo.
