В России создана уникальная квантовая система на кристалле

Командой ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» и МГТУ им. Н.Э. Баумана на базе центра Функциональные Микро/Наносистемы (НОЦ ФМН) разработана новая технология изготовления квантовых систем на кристалле, открывающая путь к интеграции отдельных модулей квантовых вычислителей на одном чипе.

С использованием технологии создан сверхкомпактный широкополосный параметрический криоусилитель для быстрого и высокоточного считывания состояний многокубитных квантовых сопроцессоров. Размеры устройства уменьшены более чем в 300 раз в сравнении с криоусилителем предыдущего поколения.

«Наша технология – это путь к миниатюризации, масштабированию и интеграции сверхпроводниковых квантовых устройств. Только представьте, за прошедшие 3 года вместе с ФГУП «ВНИИА» мы разработали технологию, которая позволяет уменьшить макроскопические квантовые приборы до микроскопических масштабов и объединить их в единую квантовую систему на кристалле, – отмечает Михаил Гордин, ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана. – Для создания таких систем нам пришлось полностью отказаться от технологии и концепции предыдущего поколения, по сути, рискнуть многолетними наработками команды НОЦ ФМН. Но всё во имя будущего – системы на кристалле в разы повысят точности квантовых алгоритмов, приближая появление практически полезных гибридных квантово-классических вычислителей».

Потенциал и эффективность этого сложнейшего технологического подхода был продемонстрирован при создании нового поколения параметрических усилителей. Бауманское ноу-хау обеспечивает экспериментально подтверждённые (Appl. Phys. Lett. 125, 164003) характеристики устройств на уровне ведущих мировых групп: коэффициент усиления более 15 дБ в широкой рабочей полосе порядка 600 МГц при мощности насыщения -107 дБм и шумовой температуре системы до 350 миликельвин. Сегодня это один из лучших мировых результатов.

Новые материалы для квантовой системы на кристалле

«Наша технология квантовых систем на кристалле – это комплекс из собственной методики проектирования, разработки новых материалов (диэлектриков с ультранизкими потерями), квантовой элементной базы, технологии её производства и методов экспериментальной характеризации при криогенных температурах. Дизайн нового чипа криоусилителя заметно отличается от мировых аналогов. Мы используем конструкцию, состоящую только из микроскопических элементов, таких как плоскопараллельные конденсаторы и планарные катушки индуктивности, – отмечает Дарья Москалева, научный сотрудник НОЦ ФМН. – Для их формирования мы детально проработали каждую технологическую операцию. В итоге мы значительно уменьшили диэлектрические потери материала и вывели их на один уровень с ведущими лидерами в этой области».

Основное требование, предъявляемое к новой технологии, – обеспечить ультранизкие потери в плоскопараллельных конденсаторах. Чем меньше потери, тем «меньше шумит» параметрический криоусилитель, и тем точнее считывание состояний сверхпроводниковых кубитов. В качестве диэлектрического слоя конденсатора в устройстве используется аморфный гидрогенизированный кремний, обладающий сверхмалыми диэлектрическими потерями. Такими технологическими возможностями сегодня обладают лишь несколько крупных фабов в мире, включая NIST (технологический партнёр Google), UC Santa Barbara и University of Maryland (UMBC).

ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» и МГТУ им. Н.Э. Баумана проводят исследования в области создания криогенных широкополосных усилителей при поддержке Фонда перспективных исследований и МинОбрНауки России, в том числе в рамках стратегического проекта Bauman DeepTech Программы «Приоритет-2030». Над созданием параметрических усилителей сегодня работают многие лидирующие научные группы мира, включая Google и IBM, а также университеты Chalmers, University of California, Berkeley, Grenoble Alpes University и др.

https://bmstu.ru/news/kvantovyi-gambit-rossiiskaya-tekhnologiya-kvantovykh-sistem-na-kristalle