Esas primeras supercomputadoras se crearon para propósitos serios: trabajo militar clasificado, investigación académica, ingeniería avanzada, entre otros. En la década de 1980, las computadoras con esas capacidades tenían que funcionar dentro de tinas de líquido refrigerante para evitar que sus procesadores se derritieran. Hoy podemos crear computadoras más potentes que se adapten a su bolsillo.

Los ingenieros han pasado décadas reduciendo computadoras para crear máquinas más ligeras y potentes. Casi todos los logros científicos y culturales notables del último medio siglo de la historia de la humanidad 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 para la próxima década.

Fue una afirmación audaz, una visión del futuro tan osada como los pioneros de la computación cuántica se expresan hoy. Moore creía que los ingenieros lograrían hacer magia 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 irían más lento.

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 logrado duplicar la densidad de transistores 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 de solo dos nanómetros de ancho, más estrechos que una cadena de ADN humano.

Para mantener vigente 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. A continuación, el equipo hizo brillar una luz ultravioleta sobre esa superficie a través de una pantalla con patrones. 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 cadenas químicas reaccionaron bajo luz. Cuando reaccionaban, cambiaban el comportamiento de la fotorresistencia, lo cual la hacía más o menos pegajosa. Los investigadores lavaron la fotorresistencia expuesta a los rayos UV con agua. Las moléculas que se quedaron atrás formaron patrones complejos 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, y los utilizan como guías para las estructuras informáticas finas.

“Cuando se observan estos patrones bajo un microscopio, es notable lo claras que son esas líneas, con bordes nítidos”, dijo Jeannette García, gerente sénior de Investigación de Aplicaciones Cuánticas e Investigación de Software en IBM Quantum.

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

IBM ha trabajado estrechamente con asociados, como JSR, para refinar este proceso: han diseñado las fotorresistencias para un control preciso sobre la forma de los patrones a escalas nanométricas.

“Con una química precisa, se puede bajar a estos tamaños de características increíblemente pequeños, no más anchos que los polímeros fotorresistentes”, dijo Garcia. “Así es como llegamos a componentes de dos nanómetros de ancho. Impulsa la Ley de Moore”.

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

 “En JSR, estamos orgullosos de ser uno de los principales fabricantes de soluciones fotorresistencias en el mundo”, dijo Hiroaki Tokuhisa, director de tecnología en JSR. “Proporcionamos productos químicos que impulsan constantemente la ley de Moore en el siglo XXI y trabajamos estrechamente con nuestros asociados, como IBM, para mejorar constantemente nuestra biblioteca de productos químicos fotorresistentes.

Al igual que los microchips que ayudan a fabricar, esas fotorresistencias se han vuelto mucho más complicados desde los primeros experimentos en la década de 1980. A medida que la química ha evolucionado para admitir patrones más finos y delicados, se han agregado nuevos elementos a las fotorresistencias para convertirlas 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, ya que empujan los polímeros más grandes a su lugar. Cuando se cumplan ciertas condiciones, un PAG derramará un protón que interactúa con los polímeros de la fotorresistencia, lo cual hace a las moléculas solubles para que se puedan lavar. Cuando los fabricantes desarrollan nuevos microchips, trabajan con JSR para determinar la solución fotorresistente precisa necesaria para obtener los resultados deseados.

Este proceso puede ser largo y costoso.

“Es difícil predecir cómo se comportará una nueva fotorresistencia hasta que la hayamos creado en el laboratorio y probado rigurosamente en situaciones reales”, señala Hiroaki.

La química involucrada es demasiado compleja para que incluso las supercomputadoras más potentes del mundo simulen de manera efectiva.

“Creemos que esto está a punto de cambiar”, dijo Hiroaki. “Junto con nuestros asociados de larga data de IBM, estamos experimentando con simulaciones químicas en computadoras cuánticas. Ya hemos demostrado que pueden simular moléculas pequeñas que imitan partes de una fotorresistencia”.

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 confundan incluso a las supercomputadoras clásicas. 

Con la ayuda de simulaciones químicas informáticas, JSR tiene como objetivo desarrollar nuevas fotorresistencias más rápidamente y a un menor costo, una ventaja potencial para extender la Ley de Moore al futuro.

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

“A medida que las computadoras cuánticas se vuelven más potentes, queremos estar listos para usarlas 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 como escala de computadoras cuánticas.

Todo este trabajo está llevando a un futuro en el que las supercomputadoras centradas 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 eso signifique mejores y más rápidos chips de computadora producidos a menores costos. Para otros asociados, eso podría significar avances en el descubrimiento de medicamentos o la ciencia de los materiales.

Hoy en día, IBM Quantum alberga la flota más avanzada del mundo de sistemas informáticos cuánticos y software para ejecutar circuitos cuánticos a escala. Su organización puede asociarse con IBM Quantum para impulsar la investigación y desarrollar habilidades cuánticas.

Mediante el uso de tecnologías creadas a través del desarrollo de materiales de polímero, JSR Corporation (enlace externo a ibm.com) desarrolla y suministra muchos productos líderes en todo el mundo, incluidos materiales de litografía, materiales de procesos y materiales de embalaje, que son esenciales para la producción de semiconductores. Los materiales LCD de JSR y los materiales de visualización de próxima generación se utilizan en la producción de pantallas LCD y OLED.