Quei primi supercomputer furono costruiti per scopi importanti: lavoro militare riservato, ricerca accademica, ingegneria avanzata e altro ancora. Negli anni '80, i computer con queste capacità dovevano funzionare all'interno di vasche di liquido di raffreddamento per evitare che i loro processori si fondessero. Oggi siamo in grado di costruire computer più potenti che possono stare nelle tue tasche.

Gli ingegneri hanno passato decenni a rimpicciolire i computer, costruendone di più leggeri e più potenti. Quasi tutti gli straordinari successi scientifici e culturali dell'ultimo mezzo secolo di storia umana risalgono a questo progresso.

Nel 1965, solo pochi anni dopo l'emergere dell'industria dei semiconduttori, l'ingegnere e uomo d'affari Gordon Moore fece una previsione: si aspettava che il numero di transistor confezionati su un singolo chip raddoppiasse ogni due anni per il decennio successivo.

Era un’affermazione coraggiosa, una visione del futuro audace quanto quella espressa oggi dai pionieri dell’informatica quantistica. Moore credeva che gli ingegneri sarebbero riusciti a tirare fuori un coniglio dal cappello cinque volte in dieci anni. Ma non andò oltre il 1975: sembrava chiaro che a un certo punto la magia si sarebbe esaurita e le cose avrebbero rallentato.

La previsione di Moore, che divenne nota come Legge di Moore, rimase valida per molto più di un decennio. Ogni due o tre anni dalla metà degli anni '60, gli ingegneri riuscirono a raddoppiare la densità dei transistor dei microchip. I transistor, che erano larghi come fibre di lana (20 micrometri) alla fine degli anni '60, si restrinsero fino ad arrivare a dimensioni microscopiche. Nel 2021, IBM realizzò un chip i cui componenti più piccoli presentavano uno spessore di appena due nanometri: più sottile di quello di un filamento di DNA umano.

Per mantenere viva la Legge di Moore negli ultimi decenni, gli ingegneri si sono affidati a un trucco chimico.

Negli anni '80, un team di IBM scoprì un nuovo metodo per stampare transistor su chip. Combinarono molecole ramificate simili a corde in una soluzione e colorarono quella soluzione, nota come fotoresistore, come un sottile rivestimento sulla superficie di un chip vuoto.

Una volta asciugata la soluzione, le molecole si attaccavano alla superficie. Quindi, il team proiettò una luce ultravioletta su quella superficie attraverso uno schermo modellato. Lo schermo faceva in modo che solo alcune molecole fossero esposte alla luce, mentre altre fossero lasciate in ombra. 

I rami di quei filamenti chimici reagivano alla luce. Durante la reazione, cambiarono il comportamento del fotoresistore, rendendolo più o meno adesivo. I ricercatori lavarono via il fotoresistore esposto ai raggi UV con acqua. Le molecole rimaste formarono modelli complessi sul wafer di silicio.

Oggi, questi schemi fungono da guide per il cablaggio dei microchip. I produttori stampano transistor sulla base di tali schemi, utilizzandoli come guide per le strutture di calcolo fini.

“Quando si osservano questi modelli al microscopio, è straordinario quanto siano nette quelle linee, con bordi ben definiti”, come ha affermato Jeannette Garcia, Senior Research Manager for Quantum Applications Research and Software presso IBM Quantum.

Una buona definizione delle linee è importante: qualsiasi imprecisione potrebbe portare a errori nel processo di produzione, con microchip inutilizzabili.

IBM ha lavorato a stretto contatto con partner come JSR per perfezionare questo processo, progettando i fotoresistori per un controllo preciso sulla forma dei modelli su scala nanometrica.

“Con una chimica precisa è possibile arrivare a dimensioni incredibilmente piccole, non più larghe dei polimeri dei fotoresistori", ha affermato Garcia. “È così che siamo arrivati a componenti larghi due nanometri. Conferma la Legge di Moore.”

Oggi, l'intero settore manifatturiero di microchip dipende dal processo di fotoresistenza.

 “Noi di JSR siamo orgogliosi di essere uno dei principali produttori di soluzioni di fotoresistenza al mondo”, come ha dichiarato Hiroaki Tokuhisa, Chief Technology Officer di JSR. “Forniamo i prodotti chimici che portano la legge di Moore nel 21° secolo e lavoriamo a stretto contatto con partner come IBM per migliorare costantemente la nostra fornitura di prodotti chimici fotoresistenti.”

Come i microchip che aiutano a produrre, questi fotoresistori sono diventati molto più complicati rispetto ai primi esperimenti degli anni '80. Man mano che la chimica si è evoluta per supportare modelli più fini e più delicati, sono stati aggiunti nuovi elementi ai fotoresistori per trasformarli in strumenti più precisi. Ad esempio, i ricercatori hanno introdotto dei componenti chimici noti come generatori di fotoacidi (photo-acid generators, PAG) nella soluzione.

Come spiega Garcia, i PAG si comportano un po’ come rimorchiatori chimici, spingendo i polimeri più grandi in posizione. Quando determinate condizioni vengono soddisfatte, un PAG emette un protone che interagisce con i polimeri nel fotoresistore, rendendo le molecole solubili in modo che possano essere lavate via. Quando i produttori sviluppano nuovi microchip, collaborano con JSR per determinare l'esatta soluzione di fotoresistenza necessaria per ottenere i risultati desiderati.

Questo processo può richiedere tempo e denaro.

Hiroaki spiega: “È difficile prevedere come si comporterà un nuovo fotoresistore fino a quando non lo avremo creato in laboratorio e testato rigorosamente in situazioni reali.”

La chimica coinvolta è troppo complessa per poter eseguire simulazioni efficaci, persino per i supercomputer più potenti del mondo.

“Crediamo che la situazione stia per cambiare”, ha affermato Hiroaki. “Insieme ai nostri partner di lunga data di IBM, stiamo sperimentando simulazioni chimiche su computer quantistici. Abbiamo già dimostrato che i computer quantistici possono simulare piccole molecole che imitano parti di un fotoresistore.”

Il mondo reale funziona secondo la meccanica quantistica e i computer quantistici potrebbero presto diventare i nostri migliori strumenti per simularlo. Questi computer, ora sottoposti a un processo di scalabilità e sviluppo rapido presso IBM Quantum, potrebbero un giorno risolvere problemi complessi che ostacolano persino i supercomputer classici. 

Con l'aiuto di simulazioni chimiche al computer, JSR mira a sviluppare nuovi fotoresistori più rapidamente e a costi inferiori, estendendo così la Legge di Moore nel futuro.

IBM e JSR prevedono che i computer quantistici diventeranno strumenti abbastanza potenti per questo tipo di simulazioni chimiche una volta raggiunte la scala e l'alimentazione necessarie. JSR sta lavorando oggi con IBM Quantum per gettare le basi per questo futuro.

“Man mano che i computer quantistici diventano più potenti, vogliamo essere pronti a utilizzarli per supportare il nostro lavoro”, ha dichiarato Hiroaki.

Di recente, un team di ricerca congiunto di JSR e IBM Quantum ha simulato con successo una molecola più piccola con comportamenti simili a un PAG. Ciò ha dimostrato che, in linea di principio, dovrebbe essere possibile simulare i PAG stessi con la scala dei computer quantistici.

Tutto questo lavoro sta guidando verso un futuro in cui i supercomputer quantistici saranno in grado di risolvere problemi che oggi non è possibile risolvere, con benefici a breve termine per la ricerca chimica. Per JSR, ciò significherà chip per computer migliori e più veloci, e prodotti a costi inferiori. Per altri partner, ciò potrebbe significare progressi nella scoperta di farmaci o nella scienza dei materiali.

Oggi, IBM Quantum ospita la serie più avanzata al mondo di sistemi di elaborazione quantistica e software per l'esecuzione di circuiti quantistici su vasta scala. La tua organizzazione può collaborare con IBM Quantum per promuovere la ricerca e sviluppare competenze in ambito quantistico.

Utilizzando tecnologie realizzate attraverso lo sviluppo di materiali polimerici, JSR Corporation (link esterno a ibm.com) sviluppa e fornisce molti prodotti leader a livello globale, tra cui materiali litografici, materiali CMP, materiali di processo e materiali di imballaggio, essenziali per la produzione di chip semiconduttori. I materiali LCD e i materiali per display di nuova generazione di JSR vengono utilizzati nella produzione di display LCD e OLED.