Esos primeros superordenadores se construyeron con fines serios: trabajo militar clasificado, investigación académica, ingeniería avanzada y más. En los años 80, los ordenadores con esas capacidades tenían que funcionar dentro de tanques de líquido refrigerante para evitar que sus procesadores se derritieran. Hoy en día podemos construir computadoras más potentes que caben en su bolsillo.

Los ingenieros han pasado décadas reduciendo los ordenadores, construyendo máquinas más ligeras y potentes. Casi todos los logros científicos y culturales notables del último medio siglo de historia humana se remontan a este progreso.

En 1965, pocos años después de que surgiera la industria de los semiconductores, el ingeniero y empresario Gordon Moore hizo una predicción. Dijo que esperaba que el número de transistores empaquetados en un solo chip se duplicara cada dos años durante la próxima década.

Era una afirmación audaz, una visión del futuro tan audaz como la que expresan hoy los pioneros de la computación cuántica. Moore creía que los ingenieros conseguirían sacar un conejo de la chistera cinco veces en diez años. Pero no fue más allá de 1975: parecía claro que en algún momento la magia se acabaría y las cosas se ralentizarían.

La predicción de Moore, que llegó a conocerse como la Ley de Moore, se desarrolló durante mucho más de una década. Cada dos o tres años desde mediados de la década de 1960, los ingenieros han conseguido duplicar la densidad transistor de los microchips. Los transistores que eran tan anchos como las fibras de lana (20 micrómetros) a fines de la década de 1960 se han reducido a escalas microscópicas. En 2021, IBM creó un chip con sus componentes más pequeños, solo dos nanómetros de ancho, más estrecho que un hilo de ADN humano.

Para mantener viva la Ley de Moore durante las últimas décadas, los ingenieros han confiado en un truco de química.

En la década de 1980, un equipo de IBM descubrió un nuevo método para imprimir transistores en chips. Mezclaron moléculas ramificadas con forma de cadena en una solución y pintaron esa solución, conocida como fotorresistencia, como una fina capa sobre la superficie de un chip en blanco.

Una vez que la solución se secó, las moléculas se adhirieron a la superficie. Luego, el equipo proyectó una luz ultravioleta sobre esa superficie a través de una pantalla estampada. La pantalla se aseguró de que solo algunas de las moléculas estuvieran expuestas a la luz, mientras que otras quedaran en la sombra. 

Las ramas de esas hebras químicas reaccionaron bajo la luz. Cuando reaccionaban, cambiaban el comportamiento de la fotorresistencia, haciéndola más o menos pegajosa. Los investigadores lavaron la fotorresistencia expuesta a los rayos UV con agua. Las moléculas que permanecieron detrás de patrones complejos formados en la oblea de silicio.

Hoy en día, esos patrones actúan como guías para el cableado de microchip. Los fabricantes imprimen transistores sobre estos patrones, usándolos como guías para las estructuras informáticas finas.

"Cuando se observan estos patrones al microscopio, llama la atención la nitidez de las líneas, con bordes nítidos", explica Jeannette Garcia, Directora de Investigación de Aplicaciones Cuánticas y Software de IBM Quantum.

Esa nitidez es importante: cualquier imprecisión podría provocar errores en el proceso de fabricación y microchips inútiles.

IBM ha trabajado estrechamente con socios como JSR para perfeccionar este proceso, diseñando las fotoresistencias para un control preciso sobre la forma de los patrones a escalas de nanómetros.

"Con una química precisa, se pueden reducir estos tamaños de características increíblemente pequeños, no más anchos que los polímeros fotorresistentes", dijo García. "Así es como hemos reducido a componentes de dos nanómetros de ancho. Impulsa la ley de Moore".

Hoy en día, toda la industria de la fabricación de microchips depende del proceso de fotoresistencia.

 "En JSR estamos orgullosos de ser uno de los principales fabricantes de soluciones fotoresistas del mundo", dijo Hiroaki Tokuhisa, director de tecnología de JSR. "Proporcionamos productos químicos que impulsan constantemente la ley de Moore's residen en el siglo XXI y trabajamos estrechamente con socios como IBM.

Al igual que los microchips que ayudan a fabricar, esos fotorresistentes se han vuelto mucho más complicados desde los primeros experimentos en la década de 1980. A medida que la química ha evolucionado para soportar patrones más finos y delicados, se han añadido nuevos elementos a las fotoresistencias para convertirlos en instrumentos más precisos. Por ejemplo, los investigadores han introducido componentes químicos conocidos como generadores de fotoácidos (PAG) a la solución.

Los PAG actúan un poco como remolcadores químicos, dijo García, empujando los polímeros más grandes a su lugar. Cuando se cumplen ciertas condiciones, un PAG escupirá un protón que interactúa con los polímeros en la fotorresistencia, haciendo que las moléculas sean solubles para que puedan ser lavadas. Cuando los fabricantes desarrollan nuevos microchips, trabajan con JSR para determinar la solución fotorresistente precisa necesaria para obtener los resultados deseados.

Este proceso puede llevar mucho tiempo y ser caro.

"Es difícil predecir cómo se comportará una nueva fotoresistencia hasta que la hayamos creado en el laboratorio y probada rigurosamente en situaciones del mundo real", dijo Hiroaki.

La química involucrada es demasiado compleja para que incluso los superordenadores más potentes del mundo se simulen eficazmente.

"Creemos que está a punto de cambiar", dijo Hiroaki. "Junto con nuestros antiguos socios de IBM, estamos experimentando con simulaciones químicas en ordenadores cuánticos. Ya hemos demostrado que las computadoras cuánticas pueden simular moléculas pequeñas que imitan partes de una fotoresistencia".

El mundo real funciona con mecánica cuántica y las computadoras cuánticas pronto podrían ser nuestras mejores herramientas para simularla. Estas computadoras, que ahora están experimentando su propio proceso de escalado y desarrollo rápido en IBM Quantum, algún día pueden superar problemas complejos que aturden incluso a las supercomputadoras clásicas. 

Con la ayuda de simulaciones de química informática, JSR tiene como objetivo desarrollar nuevas fotoresistencias más rápidamente y a un menor coste, como una ventaja potencial para ampliar la Ley de Moore al futuro.

IBM y JSR esperan que las computadoras cuánticas sean herramientas poderosas para este tipo de simulación química una vez que alcancen la escala y la potencia necesarias. JSR está trabajando con IBM Quantum hoy para sentar las bases para ese futuro.

"Como los ordenadores cuánticos son más potentes, queremos estar listos para usarlos para apoyar nuestro trabajo", dijo Hiroaki.

Recientemente, un equipo conjunto de investigación JSR-IBM Quantum simuló con éxito una molécula más pequeña con comportamientos similares a un PAG. Esto demostró que, en principio, debería ser posible simular los propios PAG a escala de los ordenadores cuánticos.

Todo este trabajo está conduciendo hacia un futuro en el que los superordenadores centrados en la cuántica resuelvan problemas que hoy son imposibles de resolver, con beneficios a corto plazo para la investigación química. Para JSR, se espera que esto signifique chips de computadora mejores y más rápidos producidos a costos más bajos. Para otros socios, eso podría significar avances en el descubrimiento de fármacos o en la ciencia de materiales.

En la actualidad, IBM Quantum alberga la flota más avanzada del mundo de sistemas de computación cuántica y software para ejecutar circuitos cuánticos a escala. Su organización puede asociarse con IBM Quantum para impulsar la investigación y desarrollar habilidades cuánticas.

Al utilizar tecnologías desarrolladas a través del desarrollo de materiales poliméricos, JSR Corporation (enlace externo a ibm.com) desarrolla y suministra muchos productos líderes mundiales, incluidos materiales para litografía, materiales CMP, materiales de proceso y materiales de embalaje, que son esenciales para la producción de chips semiconductores. Los materiales LCD de JSR y los materiales de visualización de próxima generación se utilizan en la producción de pantallas LCD y OLED.