Ученые и инженеры нанотехнологического центра Шухов.Нано (МГТУ им. Н.Э. Баумана) совместно со специалистами ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» совершили научно-технологический прорыв мирового уровня. Разработка уже признана международным сообществом, а результаты опубликованы в престижном научном журнале Science Advances.
Отечественные исследователи создали уникальную технологию iDEA (ion beam-induced DEfects Activation), которая позволила достичь субангстремной точности в управлении критическими параметрами кубитов — ключевых составляющих квантового компьютера. Россия впервые в мире получила возможность вносить изменения в искусственные атомы с помощью узкого пучка ионов.
Название технологии расшифровывается как «активация дефектов ионным пучком», а по сути представляет собой «ювелирный» ионный тюнинг сверхпроводниковых кубитов. Мы пообщались с Ильей Родионовым, руководителем кластера Квантум Парк, и рассказываем, в чем состоит прорыв, простыми словами.
При проектировании квантового процессора параметры частот рассчитываются заранее для каждого кубита, но уровень технологий не позволял добиться нужной точности.
Почему квантовые компьютеры — это будущее, а кубиты — их капризные «кирпичики»
Новая разработка отечественных ученых решает одну из самых острых проблем в создании практически полезных квантовых компьютеров — проблему непохожести сверхпроводниковых кубитов. Улучшение свойств кубитов в дальнейшем может привести к радикальному увеличению мощности квантовых процессоров.
Квантовые компьютеры обещают революцию в вычислительной технике. В отличие от классических битов, которые могут принимать значение 0 или 1, квантовые биты (или кубиты) благодаря законам квантовой механики могут находиться в суперпозиции состояний (и 0, и 1 одновременно), а также находиться в состоянии квантовой запутанности друг с другом. Благодаря последнему явлению квантовые компьютеры с большим количеством кубитов потенциально смогут решать огромное количество определенных вычислительных задач значительно быстрее классических компьютеров.
«Потенциально», потому что разработки еще ведутся и многие технологии дорабатываются. «Определенных», потому что квантовые компьютеры в силу своей природы должны быть особенно хороши в таких задачах, как оптимизация в логистике и не только, поиск в огромных базах данных, моделирование молекул, состоящих из большого количества атомов, и новых материалов с нужными человеку свойствами.
Гибридные суперкомпьютеры, объединяющие классические процессоры и квантовые сопроцессоры, рассматриваются как следующий эволюционный шаг в развитии технологий вычислений, который позволит человечеству значительно продвинуться в изучении мира и создании новых технологий.
Кубиты внутри квантовых компьютеров могут быть реализованы на основе нейтральных атомов, ионов, фотонов и так далее. Но одной из самых перспективных и развитых платформ являются сверхпроводниковые кубиты на основе джозефсоновских переходов.
Ранее одинаковые атомы могла создавать только природа — это было за гранью доступных технологий. Мы могли изготовить хоть 100 кубитов на уровне полупроводниковой фабрики, но даже малейший разброс размеров в пять нанометров или толщины туннельного барьера в доли нанометра по чипу приводит к недопустимым ошибкам для некоторых кубитов.
Сверхпроводниковые кубиты изготавливаются на кремниевых пластинах с использованием технологий, похожих на производство современных процессоров. Но сверхпроводниковые кубиты — это не просто транзисторы. Они являются «искусственными атомами», а для корректной работы квантового процессора как единого целого эти «атомы» должны быть практически идеально одинаковыми по своим ключевым параметрам. Как и атомы в природе, они должны быть полностью идентичными. Ключевой показатель таких «атомов» — резонансная частота.
Почему создать тысячи одинаковых кубитов — задача на грани возможного
Сердце сверхпроводникового кубита — джозефсоновский переход. Это «сэндвич», каждый слой которого имеет нанометровые размеры: два слоя сверхпроводника (в данном случае алюминия), разделенные ультратонким слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной всего около 1 нанометра (10 ангстрем). И именно толщина этого диэлектрического барьера критична для резонансной частоты итогового кубита.
Проблема в следующем:
- Атомарная чувствительность: Любое отклонение толщины диэлектрика всего на один атом (а это около 0,2−0,3 нанометра или 2−3 ангстрема) приводит к значительному (мегагерцы!) смещению частоты кубита от нужного значения. Простая аналогия: представьте, что вам нужно нанести слой краски толщиной в 1 микрометр, но ошибка даже в 0,2 микрометра полностью меняет свойства конечного устройства.
- Технологический разброс: Современные методы изготовления диэлектрических слоев не могут гарантировать такую атомарную точность. А ведь нужно соблюсти стандарты на каждом из десятков, сотен или тысяч переходов на одном чипе. По итогу возникает неизбежный разброс частот. Получаемые устройства похожи на лес из деревьев одного вида, но с разной толщиной стволов, тогда как нам для условных корабельных матч нужен определенный диаметр каждой выращиваемой «сосны».
- Катастрофические последствия: Этот разброс приводит к двум основным сложностям:
- Перекрестные помехи («болтовня» кубитов): Если частоты соседних кубитов оказываются слишком близки, они начинают неконтролируемо взаимодействовать, обмениваться энергией. Это вносит ошибки в вычисления.
- Невозможность точного управления: Квантовые операции (логические гейты) требуют точной настройки на частоту конкретного кубита. Если частоты «уплыли», гейты работают некорректно. - Экспоненциальный рост проблемы: В случае 20−50 кубитов помехи и неточность управления уже становятся проблемой для итогового устройства. Но миру нужны тысячи и миллионы кубитов, и в этом случае без уменьшения разброса частот просто не обойтись.
Квантовый процессор — это единый механизм, объединяющий десяток топовых технологий, и каждая должна работать, как часы. Сегодня мы представляем критический метод управления параметрами кубитов. Наше открытие — это путь к практически полезным квантовым вычислениям.
Российское решение, или «ювелирный» ионный тюнинг кубитов
Именно здесь на сцену выходит революционная российская технология iDEA.
Для начала инженерам нужно изготовить сам джозефсоновский переход, а решение экспертов МГТУ имени Баумана и ВНИИА имени Духова нужно для его сверхточной постобработки и «настройки» уже после создания основной структуры.
Как это работает? После изготовления чипа со сверхпроводниковыми кубитами их частоту измеряют. Фиксируются все отклонения от идеальных показателей. На основе этих данных эксперты рассчитывают необходимую дозу ионного облучения для корректировки параметров кубитов.
Когда мы настраиваем кубиты, это немного похоже на настройку музыкального инструмента. Представьте, как подкручивают струну, пока она не начинает звучать как нужно. Точно так же и здесь — мы добиваемся того, чтобы кубит «звучал» на нужной нам частоте. Иногда важно, чтобы кубиты работали синхронно, «в унисон», а иногда — наоборот, каждый на своей частоте, как инструменты в оркестре. Все зависит от задачи.
Затем сверхточная установка направляет пучок одиночных ионов инертных газов (гелия или неона) в строго определенную область джозефсоновского перехода. Площадь воздействия имеет диаметр менее 10 нанометров. Ионы при этом не «режут» и не «сжигают» материал. Они проникают в кристаллическую решетку сверхпроводника рядом с диэлектриком или в сам диэлектрик. Там ионы передают энергию атомам решетки, создавая точечные дефекты. Последние позже мигрируют и «рассасываются», что приводит к микроскопическому, но критически важному изменению эффективной толщины диэлектрического барьера. Таким образом ионный пучок изменяет резонансную частоту кубита. Технология iDEA адресно «подстраивает» каждый проблемный переход. Процесс занимает всего около одной секунды на кубит и полностью автоматизирован.
Ключевое достижение — возможность управлять эффективной толщиной элементов кубитов с невероятной точностью ±0.2 ангстрема (±0.02 нм). Подобная точность ранее была попросту недостижима.
Чем российская разработка лучше мировых аналогов и какие преимущества она дает
Технология iDEA — не просто улучшение, это принципиально новый подход, дающий России серьезные конкурентные преимущества:
- Беспрецедентная точность (±0.2 ангстрема): Ни одна известная альтернативная технология коррекции параметров кубитов (лазерный отжиг, электронная обработка, электрическая «перестройка») не может достичь такого уровня контроля.
Итоговый разброс частот кубитов по чипу в случае использования iDEA составляет всего в ±0.35% (±17 МГц). Для сравнения: текущий уровень IBM Quantum — ±14−18 МГц. Он ограничивает масштабирование квантовых процессоров их собственной архитектуры примерно до отметки в 300 кубитов. - Локальность воздействия (< 10 нм): Ионный пучок фокусируется на наноразмерной области, не затрагивая соседние элементы схемы.
Альтернативные методы (особенно лазерный отжиг или электрическая перестройка) имеют гораздо большее пятно воздействия (десятки и даже сотни нанометров), что делает невозможным обработку плотно упакованных кубитов без риска повреждения «соседей». - Скорость (1 с/кубит): iDEA работает исключительно быстро. Лазерный отжиг (IBM) занимает десятки секунд на кубит, электрическая обработка (Rigetti) — сотни секунд. Это критически важно для промышленного производства сверхпроводниковых кубитов в будущем.
- Сохранение качества: iDEA-обработка не ухудшает ключевые характеристики кубитов — их «время жизни» (когерентность). Напротив, в Шухов.Нано с помощью iDEA были изготовлены самые высококогерентные кубиты-трансмоны в России, с временем жизни более 500 микросекунд, что соответствует уровню ведущих мировых лабораторий (IBM, Google).
- Масштабируемость: Комбинация точности, локальности, скорости и «безвредности» делает iDEA идеальной технологией для масштабирования.
Российские разработчики подчеркивают, что в будущем на основе этой технологии можно создать практически полезные квантовые процессоры с тысячей и более кубитов. - Универсальность: Хотя изначально iDEA была разработана для коррекции кубитов, она применима для создания любых наноэлектронных устройств. Там, где требуется сверхточный контроль толщины или свойств ультратонких диэлектрических интерфейсов на атомарном уровне.
Это открывает перспективы для создания других компонентов пост-КМОП электроники (мемристоры, транзисторы с новой архитектурой, элементы для нейроморфных вычислений и ИИ). Нынешняя запатентованная разработка может помочь России занять лидирующие позиции в этих сферах.
Процессоры из тысячи и более кубитов — задача долгосрочной перспективы. Мы должны к ним прийти готовыми не только с точки зрения технологий, но и проектирования, обеспечения дорогого и сложного комплекса измерительного оборудования, библиотеки квантовых алгоритмов с практическим смыслом. Цель, которой мы достигли сегодня — отработать технологию. Ионный метод обработки джозефсоновских переходов позволил шагнуть в субангрестремный предел, и здесь мы, российские инженеры и ученые, оказались первыми.
Практические результаты и признание мирового сообщества
Технология iDEA — это уже не просто лабораторный эксперимент, а отработанная методика серийной доработки параметров кубитов. Разработка использовалась при создании нескольких поколений сверхпроводниковых квантовых сопроцессоров в Квантум Парке. На процессорах, изготовленных с использованием iDEA, успешно решены задачи моделирования намагниченности цепочек спинов (модель Изинга), решения уравнения теплопроводности и систем линейных уравнений. Это важные шаги к решению реальных прикладных задач в материаловедении, химии, фармацевтике, проектировании сложных систем.
Процессоры показывают высокое время когерентности кубитов, что является ключевым для выполнения сложных вычислений. Публикация в топовом журнале Science Advances, где все статьи проходят строгий отбор и проверку множества рецензентов — подтверждает мировой уровень и новизну работы. Так, российским специалистам потребовалось написать почти 50 страниц пояснений и ответов на вопросы сторонних экспертов, прежде чем их работа была допущена к публикации.
Что этот прорыв означает для России и мира?
Решая ключевую проблему масштабирования квантовых процессоров — проблему идентичности кубитов — российская технология открывает путь к созданию мощных гибридных суперкомпьютеров. Сочетание классических процессоров и квантовых сопроцессоров на 1000+ кубитов поможет решать задачи, недоступные сегодня: разработка новых материалов и лекарств, сверхсложная оптимизация логистических задач с массой параметров и ускоренное проектирование в авиации, космосе и энергетике.
Это породит высокий спрос на специализированное оборудование. Наличие собственной передовой технологии в столь критической области, как пост-КМОП электроника и квантовые вычисления, является основой для технологической независимости и конкурентоспособности.
Журнал Science Advances входит в американскую публикационную группу Science. Это серьезное научное издание. Все прошло спокойно и профессионально.
Российская технология iDEA — это яркий пример того, как фундаментальные исследования и инженерная мысль в России способны приводить к результатам мирового уровня. Гонка за квантовое превосходство продолжается, и благодаря iDEA и другим разработкам Россия занимает в ней очень сильную позицию.
Это тоже интересно:
Представлен первый в России прототип 50-кубитного квантового компьютера
Первая российская квантовая сеть: как ИТМО помогает строить защищенные коммуникации
Российские ученые запустили машинное обучение на квантовом компьютере