Байки из лабы: что нам стоит кубит построить

Как создают квантовые процессоры

Старший научный сотрудник НОЦ ФМНС МГТУ Айдар Габидуллин

Анна Солдатенко/MIT/TU Delft/Indicator.Ru

Квантовые компьютеры сходят со страниц фантастических книг и в обозримом будущем войдут в повседневную жизнь. Работа над созданием полноценных квантовых устройств ведется во всех развитых странах. Indicator.Ru побеседовал с одним из ведущих участников проекта по созданию элементной базы российского квантового процессора — старшим научным сотрудником НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» МГТУ имени Н. Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА имени Н. Л. Духова» Айдаром Габидуллиным. Кто работает над российским квантовым проектом, как создают кубиты и с какими сложностями приходится сталкиваться — читайте в новом выпуске рубрики «Байки из лабы».

Работа квантовых компьютеров основана на явлениях, не встречающихся в повседневной жизни. Так, в обычном компьютере информация кодируется в битах, которые могут быть сигналом или символом и находиться в одном из двух состояний: включен/выключен, 0/1 и тому подобное. В квантовом мире все обстоит несколько сложнее: квантовые биты, или кубиты, существуют одновременно в двух состояниях — как известный всем кот Шредингера. В результате в N кубитах можно зашифровать 2N состояний — больше, чем в обычных битах.

Квантовая механика работает на наноуровне и при температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 °C или 0 К). В таких условиях в некоторых металлах и сплавах наблюдается сверхпроводимость — когда сопротивление полностью исчезает и ток течет беспрепятственно. Соответственно, квантовые устройства необходимо использовать в специальных криостатах, а их элементы должны быть наноструктурированы. К последним относятся кубиты — это не только единица измерения информации, но и физический объект, выполняющий некоторые операции. Лучшие российские квантовые чипы сегодня производят сотрудники НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы». Мы побеседовали с одним из них — Айдаром Габидуллиным, старшим научным сотрудником НОЦ и аспирантом МГТУ.

Arrows-left
Arrows-right
Reload
1 / 2

Квантовые чипы с кубитными схемами и СВЧ-резонаторами

Фото: Анна Солдатенко/Indicator.Ru

— С чего начались квантовые технологии в МГТУ?

— На самом деле над этим направлением, а именно над сверхпроводниковыми квантовыми вычислительными устройствами, мир работает уже лет 20, но буквально три с половиной года назад в России технологий такого уровня и близко не было. Потом стартовал квантовый проект при поддержке Фонда перспективных исследований. В нем участвуют несколько организаций, это и МИСиС, и Российский квантовый центр, и ИФТТ РАН, и МФТИ, однако элементная база создается в нашем центре. Коллеги на этом «железе» и работают. Например, на базе наших чипов в прошлом году был осуществлен квантовый алгоритм перебора Гровера. Он может стать основой для создания сверхбыстрых баз данных, способных в мгновения находить нужную информацию. Квантовый компьютер откроет невероятные возможности обработки информации, и поэтому так называемая квантовая гонка с участием ведущих мировых стран сегодня вышла на новый уровень. Страна или корпорация, которой удастся прийти к финишу первой, станет недосягаемой.

— А как вы пришли в направление?

— К команде я присоединился в 2015 году, когда еще был студентом кафедры «Электронные технологии в машиностроении» нашего МГТУ. И уже тогда шли разговоры о том, чтобы начать работу над проектом сверхпроводниковых кубитных схем. Помню, еще в школе меня интересовал эффект, при котором некоторые металлы на криогенных температурах полностью теряют свое электрическое сопротивление при постоянном токе. При переменном же из них можно создать колебательный контур, который долго хранит в себе энергию. Эти два свойства и лежат в основе принципа работы сверхпроводниковых кубитных схем. Все эти фразы: «квантовый компьютер», «сверхпроводимость» — тоже подстегивали интерес, и возникало все больше вопросов «как» и «почему». Когда дело дошло до практики, конечно, было очень непросто, но со временем мы все больше понимали суть и ставили конкретные задачи, чтобы достигать конкретных результатов.

— Чем именно занимается ваша группа?

— Мы создаем чипы на сверхпроводниковых кубитах. Чип — головное устройство, на котором выполняются операции. Он находится в медном держателе, способном хорошо отводить тепло, а еще объединяющем эти микроскопические элементы с внешним миром. Устройство помещается в специальный холодильник — криостат, — где охлаждается до милликельвиновых температур. Внутри криостат покрыт золотом, чтобы медь не окислялась и не ухудшала своих электрических и теплопереносных свойств.

Arrows-left
Arrows-right
Reload
1 / 8

Чистое помещение НОЦ ФМНC, где производят чипы. Чтобы попасть в чистое помещение, необходимо надеть специальные костюмы, процесс сложный и многостадийный

Фото: Анна Солдатенко/Indicator.Ru

— Как устроен чип? Как его изготавливают?

— Вообще, такие чипы выполняются классическими методами микроэлектроники. Мы берем технологическую основу, называемую просто подложкой, из кремния. На нее наносится тонкий слой металла, но не любого, а способного при криогенных температурах переходить в состояние сверхпроводимости. Им может быть алюминий, ниобий, а также, например, нитрид титана или ниобия. Сверху мы наносим слой резистивного непроводящего материала, грубо говоря, резинового. На него лазером или при помощи электронов наносим определенный рисунок, а потом как по трафарету вырезаем, по-нашему, вытравливаем. В результате мы получаем функциональные элементы квантового чипа. Ими могут быть собственно кубиты или резонаторы, которые считывают состояние кубитов и при этом не разрушают его. Резонатор выполняется в виде изогнутой линии для экономии площади чипа. На свободном конце размещен кубит, другой конец образует связь с сигнальной линией. Основная характеристика качества резонатора — его добротность. Это показатель сохранения энергии: чем он выше, тем дольше энергия «колеблется» в контуре и, соответственно, увеличивается время жизни кубита. В начале наших исследований добротность не превышала 20–40 тысяч, сейчас же мы достигли уже миллионов — это значения на уровне лучших мировых научных групп.

Arrows-left
Arrows-right
Reload
1 / 2

Сверхпроводниковые СВЧ-резонаторы

Фото: НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» МГТУ

— Как это можно понять, с чем соизмерить? Например, раньше могли сделать это, а теперь...

— Раньше мы ничего не могли. Чтобы совершать квантовые операции, кубиты должны управляемо перейти из одних состояний в другие, что требует времени, которое должно быть в разы меньше их «времени жизни». Иначе кубиты «разваливаются» раньше, чем над ними выполняются логические операции. На каждую операцию нужны сотые или десятые доли микросекунд, а если их у кубита нет, то и операции не будет, он просто потеряет свое состояние. Три года назад время жизни у нас не превышало долей микросекунд, но с тех пор мы его увеличили почти в 200 раз, до 100 микросекунд. Этого уже достаточно для проведения логических операций. Чтобы обозначить уровень, скажу, что по некоторым параметрам мы имеем значения, соизмеримые или даже в некоторых случаях превосходящие мировые IT-компании, такие как IBM, Google и прочие.

— Вы говорите, что время жизни кубита какое-то определенное и очень маленькое. Получается, этот чип одноразовый?

— Нет, просто время отсчитывается от импульса: прошел сигнал, активировалась линия, затронулся кубит. И теперь у него есть несколько, в нашем случае 100, микросекунд, чтобы выполнить последовательность операций и получить результат вычислений. Затем подается новый сигнал и так далее. За время жизни успевают выполниться некие операции, подключиться другие кубиты, к примеру. То есть чип можно использовать много раз, а он и используется много раз, так как все процессы в квантовых вычислениях вероятностные. Это означает, что для получения ответа (результата) даже одной операции нам необходимо выполнить ее N раз для набора статистики. Потом на основании этих результатов определить вероятность того или иного ответа.

— А ведь эти устройства очень «нежные». Сколько может прослужить один чип?

— Устройства боятся статического электричества, то есть если на перчатках или на костюме накапливается электростатический заряд, то этого достаточно, чтобы уничтожить все. Чип становится непригоден? и восстановить его нельзя, а ведь на изготовление могут уходить дни и недели в зависимости от сложности технологии. Если его заморозить, создать определенный вакуум, то использовать, мне кажется, можно будет годы, десятки лет. Естественно, это надо отдельно проверять.

— Что дальше?

— Мы будем продолжать работу над основными показателями каждого из изделий, каждого из элементов. И конечно, нужно развивать направление по изготовлению многокубитных чипов и процессоров, то есть заставить все элементы слаженно работать, чтобы они не мешали друг другу, обрабатывали информацию и качественно выводили ее в виде какого-то интерфейса. Кто первый разработает квантовый компьютер, тот и получит самые большие преимущества, например, в области здравоохранения. Это очень хорошая история, полезная всему миру.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.