Технология квантовых процессоров выходит на субангстремный уровень

В мире активно разрабатываются технологии, которые позволят создавать процессоры следующего поколения. В частности, учёные из России работают над созданием квантовых процессоров с тысячами кубитов, которые могут стать основой для практически полезных гибридных суперкомпьютеров.

Одним из ключевых параметров современных процессоров является размер транзистора. В современных процессорах для суперкомпьютерных вычислений, графической обработки и искусственного интеллекта транзисторы могут содержать десятки и даже сотни миллиардов элементов на одном чипе. Однако для достижения более высокой производительности необходимо уменьшить размер транзистора до размеров атома.

В настоящее время мировые лидеры в области производства процессоров используют технологии, которые позволяют уменьшить размер транзистора до 12-14 нм. Однако для дальнейшего уменьшения размера транзистора потребуются новые физические принципы работы, исследования в этой области ведутся уже более 20 лет.

Квантовые сопроцессоры, которые объединяют возможности современных КМОП технологий и сопроцессоров на новых физических принципах, могут обеспечить колоссальный рост производительности. Появление таких компьютеров полностью изменит нашу жизнь: от лекарств и транспорта до освоения дальнего космоса.

Сверхпроводниковые квантовые сопроцессоры являются лидирующей пост-КМОП платформой, и многие ведущие страны, такие как США, Китай, Япония и страны ЕС, реализуют на ней свои гибридные системы обработки информации. Они состоят из искусственных атомов — сверхпроводниковых кубитов, которые изготавливаются на кремниевых чипах, почти как современные КМОП процессоры. Однако в квантовых сопроцессорах требования к точности изготовления кубитов на порядок выше — искусственные атомы должны быть одинаковыми, практически идеальными, как в природе, но созданными руками человека.

Именно такую возможность предоставляет российская технология iDEA (от англ. ion beam-induced DEfects Activation — активация дефектов фокусированными ионами), разработанная в нанотехнологическом центре «Шухов.Нано». Она позволяет формировать элементы кубитов на основе туннельных диэлектриков толщиной 0,8-2 нм с точностью ±0,2 Å (±0,02 нм). Такую точность гарантирует принципиально новый физический принцип управления толщиной туннельного диэлектрика кубита. При его облучении ионами генерируются дефекты в кристаллической решётке, которые провоцируют сверхточное изменение толщины выбранного технологом интерфейса «металл-оксид», что критически важно для практического применения квантовых компьютеров.

Технология iDEA позволяет с высокой точностью управлять параметрами кубитов, что открывает путь к практически полезным квантовым вычислениям. Ранее одинаковые атомы могла создавать только природа, но теперь это стало возможным благодаря технологии iDEA.

Одним из основных препятствий на пути к практически полезным квантовым вычислениям являются ошибки двухкубитных операций, которые часто возникают из-за неверной частоты кубитов. При совпадении частот энергетических уровней кубитов и элементов квантовых схем возникают перекрёстные помехи, которые приводят к потере энергии из вычислительной квантовой системы и нежелательному обмену энергией между несколькими кубитами. По мере роста числа кубитов на чипе вероятность таких ошибок увеличивается экспоненциально.

Технология iDEA позволяет контролировать параметры кубитов с точностью до «доли атома» (±0,2 ангстрема), что позволяет управлять эффективной толщиной диэлектрического слоя с точностью до «доли атома». Это позволяет избежать ошибок двухкубитных операций и обеспечить точность вычислений.

Технология iDEA, разработанная в «Шухов.Нано», позволяет изменять частоту кубитов в диапазоне от 10 до 400 МГц (от 0,2 до 10%) в составе многокубитных квантовых процессоров. Это позволяет обеспечить разброс частот кубитов не более 0,35% (±17 МГц) по чипу с локальной обработкой радиусом менее 10 нм.

Разработанная серийная технология позволяет изготавливать квантовые процессоры с 1000 и более кубитами, которые могут быть использованы для решения задач материаловедения и других областей науки и техники. Технология iDEA уже доказала свою эффективность при создании серии сверхпроводниковых квантовых сопроцессоров и реализации на них квантовых алгоритмов.

Квантовые сопроцессоры, которые объединяют возможности современных КМОП технологий и сопроцессоров на новых физических принципах, могут обеспечить колоссальный рост производительности.

Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал

Источник: Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана