Construyendo mejores Qubits – IEEE Spectrum

Construyendo mejores Qubits - IEEE Spectrum

Mientras crecía en Alemania, heike riel ayudó a su padre a diseñar y construir muebles en el taller familiar. Dice que la experiencia le enseñó que “la precisión y la creatividad son necesarias para construir algo excelente”.

“Trabajar como fabricante de muebles fue en realidad una experiencia muy agradable porque construiste algo que es de alta calidad y duradero”, dice Riel. “Cuando vuelvo a mi ciudad natal, muchos de nuestros clientes todavía tienen los muebles que ayudé a construir para ellos”.


La carpintería también le inculcó una pasión por las matemáticas y la física, dice, y agrega que sabía que algún día seguiría una carrera en uno de esos campos.

En la actualidad, el miembro sénior del IEEE es jefe de ciencia y tecnología en Investigación de IBM en Zúrich. Ella es también la protagonista de IBM Research Quantum Europa y África, un grupo que tiene como objetivo crear tecnologías en inteligencia artificial, nanotecnología, computación cuántica y campos relacionados.

IBM Fellow ha ayudado a desarrollar varias tecnologías innovadoras, incluidas las pantallas OLED. Ha realizado investigaciones en nanocables semiconductores y otras nanoestructuras, así como en electrónica molecular. Es autora de más de 150 publicaciones y posee más de 60 patentes.

Riel es el destinatario de este año Premio IEEE Andrew S. Grove “por contribuciones a materiales para electrónica a nanoescala y dispositivos orgánicos emisores de luz”. El premio está patrocinado por la Sociedad de dispositivos electrónicos IEEE.

“No podía creer que fui seleccionado [to receive] este prestigioso premio”, dice Riel. “Me siento muy honrado y honrado porque tengo un gran respeto por Andrew S. Grove, quien fue un verdadero líder técnico y comercial en la industria de los semiconductores, y muchas personas a las que admiro han recibido este premio”.

LA PRIMERA PANTALLA OLED

Después de completar un aprendizaje de carpintería en 1989, Riel decidió obtener una maestría en física. Se graduó en 1997 de Universidad Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg, en Alemania. Se incorporó a IBM Research en Zúrich en 1998 mientras realizaba su doctorado en física en colaboración con la Universidad de Bayreuth, también en Alemania.

Su investigación se centró en la optimización de dispositivos emisores de luz orgánicos multicapa para su uso en pantallas. Después de obtener su Ph.D. en 2003 trabajó en el laboratorio como miembro del personal de investigación. La investigación de Riel ayudó a explicar la física detrás del transporte de carga y la recombinación, que gobiernan el funcionamiento de todos los dispositivos electrónicos, así como el desacoplamiento de luz en los semiconductores orgánicos.

“En aquel entonces, la gente no creía que se pudiera hacer, pero eso no nos detuvo”.

Sus hallazgos ayudaron a mejorar la eficiencia, el color y la resistencia de los OLED, lo que hizo posible que ella y su equipo desarrollaran la primera pantalla OLED de matriz activa a todo color de 51 centímetros. La tecnología se fabrica colocando películas delgadas de compuestos orgánicos emisores de luz entre dos conductores. Cuando se aplica voltaje, se emite una luz brillante desde cada píxel individual. Los OLED se pueden encontrar en pantallas de TV, tabletas y teléfonos inteligentes.

“Tuvimos un año para escalar los LED orgánicos para hacer una pantalla de 20 pulgadas en tres colores diferentes con tamaños de píxeles de 100 micrómetros por 300 micrómetros”, dijo Riel en una entrevista de 2021 para Blog de investigación de IBM. «En aquel momento [in the early 2000s], la gente no creía que se pudiera hacer, pero eso no nos detuvo”.

Ella dice que es gratificante haber desarrollado algo que los consumidores usan todos los días.

“Cuando mi esposo compró nuestro primer televisor OLED, fue realmente emocionante”, recuerda. “De repente, tuve un producto que utiliza tecnologías que desarrollé”.

TRANSISTORES DE NANOHILOS

Riel se convirtió en jefe del grupo de electrónica a nanoescala de IBM, que desarrolla nanocables semiconductores y nanoestructuras para transistores. Ella y su equipo ayudaron a desarrollar el primer transistor de efecto de campo de nanocables de puerta envolvente vertical en 2006.

Investigadores de todo el mundo habían estado tratando de reducir el tamaño de los transistores durante décadas. Pero cada vez que se miniaturizaban los transistores, su rendimiento disminuía; eventualmente no pudieron controlar efectivamente la corriente eléctrica.

«Quedó claro», dice Riel, «que la forma en que construíamos los transistores tenía que cambiar a principios de la década de 2000».

“Tuvimos que pensar en nuevas ideas sobre cómo mejorar la calidad de [transistors] cuando los hacemos más pequeños”, dice ella. “Exploramos y desarrollamos nuevos materiales y esquemas de integración para la electrónica a nanoescala y nuevas arquitecturas de transistores basadas en nanocables semiconductores”.

Riel y su equipo implementaron nanocables cilíndricos y de compuerta para transistores. Debido a que los nanocables son cilíndricos, la puerta del transistor se puede envolver alrededor de los nanocables, lo que permite un mejor control de la corriente, según un trabajo de investigación escrito por Riel y sus colegas.

En 2017, IBM lanzó un nuevo transistor, el Nanosheet, que utiliza los conceptos que Riel dice que ella y su equipo desarrollaron entre 2005 y 2012. Cada transistor está formado por tres láminas de silicio horizontales apiladas, cada una de unos pocos nanómetros de grosor y completamente rodeada por una puerta. . El año pasado, IBM presentó el primer chip de nodo de 2 nm del mundo, basado en la tecnología Nanosheet.

“IBM afirma que este nuevo chip mejorará el rendimiento en un 45 por ciento utilizando la misma cantidad de energía, o usará un 75 por ciento menos de energía manteniendo el mismo nivel de rendimiento que los chips actuales basados ​​en 7 nm”, un Espectro IEEE dijo el artículo.

MEJORANDO EL CUBIT

Riel actualmente está realizando una investigación de computación cuántica. Ella y su equipo están desarrollando qubits y tecnologías relacionadas.

Las computadoras clásicas encienden y apagan los transistores para representar los datos como unos o ceros. Debido a la naturaleza de la física cuántica, los qubits pueden estar en un estado de superposición, en el que son 1 y 0 simultáneamente, como se explica en un 2020 Espectro IEEE artículo. Las computadoras cuánticas pueden realizar algunas tareas mucho más rápido y con mayor precisión que las máquinas convencionales.

“Estamos tratando de averiguar si un nuevo material los haría funcionar mejor y si [certain materials] podría tener ventajas sobre los procesadores actuales”, dice Riel. Su equipo ha estado experimentando con qubits de espín de silicio y fenómenos topológicos.

Ella y su equipo están adoptando un enfoque holístico, dice, y están construyendo un sistema cuántico desde cero: creando el qubit, la tecnología de la unidad de procesamiento cuántico, la electrónica de control y el software. En noviembre, el equipo de IBM hizo una demostración del Eagle, un chip de 127 qubits: el primer procesador cuántico del mundo que rompió la barrera de los 100 qubits.

Su equipo también está trabajando para encontrar una buena manera de conectar dos procesadores cuánticos. En computación cuántica, dice, la transducción es necesaria para transportar información a larga distancia de un procesador a otro. La transducción cuántica es el proceso de convertir señales cuánticas de un fotón de baja energía a un fotón de alta energía para proteger su estado durante la transmisión.

“Para hacer esta conversión, necesita tecnología sofisticada”, dice Riel. “Estamos explorando diferentes enfoques y descubriendo cuál es el mejor y cómo podemos lograr las especificaciones que necesita para hacerlo”.

CONEXIÓN A TRAVÉS DE IEEE

Riel dice que se unió a IEEE en 2007 para poder contribuir a la comunidad, participar en conferencias y conectarse con otros ingenieros.

Miembro de la IEEE Electron Devices Society, ha ayudado a organizar eventos que incluyen la Conferencia Europea de Investigación de Dispositivos de Estado Sólido IEEE, el Reunión internacional de dispositivos electrónicos IEEE, y el Simposio IEEE sobre tecnología y circuitos VLSI.

Riel dice que IEEE ha enriquecido su carrera, permitiéndole mantenerse al día con los avances tecnológicos y establecer contactos con sus pares.

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