Уменьшили в 300 раз: в России появилась новая технология изготовления квантовых систем на кристалле

Специалисты из МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП ВНИИА им. Н.Л. Духова создали технологию изготовления квантовых систем на кристалле. Благодаря ей учёные разработали и собрали сверхкомпактный широкополосный параметрический криоусилитель для быстрого и высокоточного считывания состояний многокубитных квантовых сопроцессоров. Он более чем в 300 раз меньше аналогичных устройств предыдущего поколения.

На то, чтобы уменьшить макроскопические квантовые приборы до микроскопических масштабов и объединить их в единую квантовую систему на кристалле, у российских учёных ушло три года. Работы велись на базе НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы (НОЦ ФМН) — совместного центра МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП ВНИИА им. Н.Л. Духов. Эти изыскания активно поддержали в Фонде перспективных исследований и в Минобрнауки России, в том числе в рамках программы «Приоритет-2030».

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. 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.

Дарья Москалёва, один из разработчиков, научный сотрудник НОЦ ФМН

Ультранизкие потери в плоскопараллельных конденсаторах позволяют сделать максимально точным считывание состояний сверхпроводниковых кубитов. В качестве диэлектрического слоя конденсатора в устройстве используется аморфный гидрогенизированный кремний со сверхмалыми диэлектрическими потерями.

Аналогичные технологии, кроме российских учёных, по информации пресс-службы Минобрнауки, используют всего несколько фабов. В частности, это открытые лаборатории цифрового производства:

NIST — Национального института стандартов и технологий США, технологического партнёра Google;
UC Santa Barbara — Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, имеющего 12 исследовательских центров и институтов, включая Институт теоретической физики Кавли;
University of Maryland (UMBC) — Мэрилендского университета, развивающего высокие технологии.

Ранее в 2024 году на базе НОЦ ФМН запустили первый в России высокоточный сверхпроводниковый квантовый процессор. Средняя точность его однокубитных операций составила 99,76%, двухкубитных операций — 99,11%, а точность считывания — 96,18%.