В НОЦ ФМН созданы кубиты-трансмоны с временем когерентности более 50 микросекунд

17 апреля 2019 года

Инженеры и ученые НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы (НОЦ ФМН) в кооперации с учеными ФГУП "ВНИИА им. Н.Л. Духова" ИФТТ РАН, МИСиС, МФТИ и РКЦ разработали технологию создания сверхпроводниковых кубитов с «временем жизни» на уровне 50 микросекунд. Полученные результаты не уступают параметрам квантовых процессоров лучших мировых аналогов от IBM, Google, Intel.

Ключевые игроки зарождающегося рынка квантовых вычислений выбрали в качестве технологической платформы сверхпроводниковые кубиты. В результате двухлетней работы были созданы и экспериментально продемонстрированы кубиты типа 2D-трансмон. Многокубитные квантовые процессоры всех мировых IT-гигантов построены именно на базе кубитов этого типа.

Кремниевая пластина с чипами и чип сверхпроводникового квантового процессора

© НОЦ ФМН. Кремниевая пластина с чипами и чип сверхпроводникового квантового процессора, который может обрабатывать информацию на несколько порядков быстрее, чем полупроводниковые чипы классических компьютеров.

Сверхпроводниковые кубиты имеют неоспоримые преимущества, так как могут быть изготовлены «стандартными» методами современной наноэлектроники. А это означает простую и быструю возможность масштабирования сверхпроводниковых квантовых схем и массовый выпуск квантовых процессоров. «Стандартными» эти методы наноэлектроники являются только для узкого круга высококвалифицированных специалистов, обладающих лучшими технологическими возможностями в мире.

Сегодня в НОЦ ФМН на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана создана технологическая база, позволяющая конкурировать с мировыми научными лабораториями. Сверхпроводниковые кубиты «не терпят» любых, даже атомарных загрязнений интерфейсов и поверхностей, поэтому требуют применения сложнейших технологий изготовления. Они работают стабильно только в контролируемой среде и при температурах, ниже температур жидкого азота и даже глубокого космоса – в непосредственной близи абсолютного нуля по Кельвину. До 2016 года отставание по основным параметрам отечественных сверхпроводниковых квантовых вычислителей и симуляторов составляло более 10 лет.

Результаты измерения однотоновой спектроскопии, двухтоновой спектроскопии, времени релаксации и времени декогеренции кубитов 2D-трансмонов

Сегодня в России впервые создан комплекс конкурентоспособных серийных технологий и технических решений в области квантовых вычислений на базе сверхпроводниковых кубитов. В НОЦ ФМН разработана российская технология изготовления кристаллов квантовых процессоров с нанометровыми размерами элементов кубитов. Создан базовый модуль сверхпроводникового квантового компьютера. Модуль основан на коммерческом криостате растворения и разработанных в центре специальных системах сверхвысокочастотной фильтрации, многоуровневого экранирования, необходимых блоков управляющей спецэлектроники и программного обеспечения. Созданный комплекс не имеет аналогов в России и соответствует лучшим мировым образцам.

Разработанные технологии позволяют «с нуля» с применением новейших методов наноэлектроники создавать сверхпроводниковые кубиты – «транзисторы» квантовых процессоров, и квантовые многокубитные сверхпроводниковые интегральные схемы. Командой НОЦ ФМН сделан важнейший шаг на пути к созданию российского универсального квантового компьютера.

Илья Родионов, директор центра, поделился мыслями и планами предстоящей работы:

«…Полученный результат мы считаем промежуточным, мы понимаем, что делать на следующем этапе. Мы планируем двигаться в сторону 100-кубитного компьютера со временами жизни кубитов более 100 микросекунд. А главная наша цель – создать универсальный квантовый компьютер, что позволит решать практические задачи, полезные для нашей страны. Мы довольно четко понимаем и представляем, что должно быть усовершенствовано и в технологии, и в эксперименте, и в измерениях, и в алгоритмах для того, чтобы прийти к практически полезному квантовому симулятору, а дальше к созданию универсального квантового компьютера…»

Россия уверенно занимает свою позицию в закрытом технологическом клубе и начинает участие в мировой цифровой квантовой гонке. Безграничные возможности квантовых компьютеров - по шифровке и дешифровке информации, моделированию сложнейших процессов квантовой химии и новых материалов, расчету процессов связанных с новыми производственными технологиями, созданию и исследованию новых лекарств, расчёт сложных теплофизических процессов и многое другое – будут возможны и для нашей страны.

Работы осуществлены в предельно сжатые сроки в рамках проекта Фонда перспективных исследований (ФПИ), который выполняется в широкой научно-технической кооперации ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова», МГТУ им. Н.Э. Баумана, ИФТТ РАН, МИСиС, МФТИ, РКЦ, НГТУ, а также инициативной программы исследований ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова».

Благодаря кооперации лидирующих российских научных команд, созданной в рамках проекта ФПИ, уже реализованы однокубитные и двухкубитные логические вентили с точностью операций от 80 до 99%, что позволит в ближайшее время перейти к созданию российских многокубитных квантовых процессоров.