Ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана и ВНИИА им. Н.Л. Духова на базе центра Функциональные Микро/Наносистемы (НОЦ ФМН) разработали новую технологию изготовления квантовых систем на кристалле, позволяющую объединить на едином чипе квантовые сопроцессоры и систему считывания, что радикально повысит точность практически полезных квантовых алгоритмов.

С помощью новой технологии разработчики уже создали сверхкомпактный широкополосный параметрический криоусилитель для быстрого и высокоточного считывания состояний многокубитных квантовых сопроцессоров. При этом размеры устройства уменьшены более чем в 300 раз по сравнению с криоусилителем предыдущего поколения.

«За прошедшие три 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. Для создания таких систем нам пришлось полностью отказаться от технологии и концепции предыдущего поколения, по сути, рискнуть многолетними наработками команды НОЦ ФМН. Но все во имя будущего — системы на кристалле в разы повысят точности квантовых алгоритмов, приближая появление практически полезных гибридных квантово-классических вычислителей», — рассказал ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана Михаил Гордин.

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

«Наша технология квантовых систем на кристалле — это комплекс из собственной методики проектирования, разработки новых материалов (диэлектриков с ультранизкими потерями), квантовой элементной базы, технологии ее 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», — отметила один из разработчиков, научный сотрудник НОЦ ФМН, Дарья Москалева.

Исследование проводилось при поддержке Фонда перспективных исследований и Минобрнауки России, в том числе в рамках программы «Приоритет-2030».