Российские учёные представили передовую 3D-технологию интеграции чипов для сверхпроводниковых гибридных квантово-классических процессоров, которая открывает путь к созданию мощных многомодульных вычислительных систем. Новое исследование решает одну из ключевых инженерных задач — надёжное соединение квантовой и классической электроники при сверхнизких температурах.
В гибридных процессорах кубиты выполняют операции, недоступные обычным компьютерам, а классическая управляющая электроника, построенная на традиционных микросхемах, подаёт управляющие сигналы, синхронизирует работу, считывает состояние кубитов и обрабатывает результаты. Сегодня такие устройства насчитывают десятки или сотни кубитов, но для сложных задач, таких как моделирование молекул и оптимизация логистических маршрутов, нужны тысячи и миллионы. Один чип не вмещает столько элементов, поэтому процессоры собирают из нескольких чипов, объединённых в единую систему.
Главное препятствие на этом пути — особенности работы квантовых процессоров. При температурах, близких к абсолютному нулю, соединения между чипами должны оставаться сверхпроводящими, передавать сигналы без потерь и не вносить шум, который разрушает квантовые состояния. По мере роста числа кубитов и управляющих линий прокладывать надежные соединения становится всё сложнее.
Чтобы обойти это ограничение, учёные из Университета МИСИС, МГУ имени М.В. Ломоносова, Российского квантового центра, Центра нанофабрикации СП «Квант» и парижской Высшей школы промышленной физики и химии (ESPCI-Paris) исследовали и усовершенствовали технологию flip-chip.
«Разработанная теоретическая модель показала, что при совпадении частот резонаторов можно полностью передавать неклассические квантовые состояния с одного чипа на другой, что важно для построения квантовых сетей», — отметил д.т.н. Николай Клёнов, доцент кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники МГУ.
Flip-chip технология применяется в классической микроэлектронике и позволяет размещать чипы друг над другом, соединяя их миниатюрными сверхпроводящими микростолбиками. Такой подход сокращает длину соединений, увеличивает плотность компонентов и упрощает компоновку. Разработанные соединения стабильно работают при температурах около 20 мК, не нарушая хрупкие квантовые состояния.
«Для соединения чипов мы создали и испытали индиевые соединительные элементы с многослойным металлическим фундаментом (Al/Ti/Pt/In), которые обеспечивают стабильную связь в условиях, когда температура многократно существенно меняется. Особое внимание было уделено предотвращению образования нежелательных интерметаллических соединений на границе алюминий-индий, которые могут ухудшать работу кубитов», — пояснил д.ф.-м.н. Игорь Соловьёв, ведущий научный сотрудник отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ.
Исследователи подробно изучили три способа связи между квантовым чипом (Q-chip) и управляющим чипом
«Удалось провести систематическое экспериментальное и теоретическое исследование трех основных типов связи между квантовым чипом (Q-chip), который содержит кубиты и резонаторы, и управляющим чипом
(C-chip), на котором расположены линии управления и считывания. Мы подтвердили стабильную работу всех типов связи при сверхнизких температурах, а измеренные характеристики резонаторов совпали с теоретическими расчетами», — отметила соавтор исследования, к.ф.-м.н. Наталия Малеева, директор дизайн-центра квантового проектирования НИТУ МИСИС.
Результаты исследования открывают перспективы для создания модульных квантовых процессоров и внутренних квантовых сетей. Следующий этап — интеграция реальных кубитов с управляющей электроникой и высокоточная передача квантовой информации. В перспективе вычислительные мощности таких процессоров потребуются для разработки новых лекарств и материалов, в криптографии, финансовом моделировании, прогнозировании климата и оптимизации инфраструктурных систем.
Технология разработана при поддержке Госкорпорации «Росатом» в рамках Дорожной карты «Квантовые вычисления» (договор № 868-1.3-15/15-2021 от 05.10.2021). Экспериментальные исследования устройства выполнены в НИТУ МИСИС в рамках стратегического технологического проекта «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».
