Российские учёные предложили перспективное решение для интеграции квантовых и классических процессоров. Квантовые компьютеры превосходят по скорости вычислений полупроводниковые устройства, но не могут работать без вспомогательного блока в виде обычного кремниевого процессора. Объединение квантового и классического компонентов — непростая задача, однако авторы нового исследования нашли простое решение.
Российские учёные из НИТУ МИСИС, МГУ, Российского квантового центра, Центра нанофабрикации СП «Квант» нашли новый подход к интеграции классических чипов и квантовых процессоров. Инновация обеспечит стабильную работу квантового гибридного компьютера — такие устройства способны превосходить по скорости вычислений даже самые мощные суперкомпьютеры. Об этом RT сообщили в пресс-службе МИСИС. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Quantum Technologies (Q1).
Работа квантовых компьютеров основана на принципе квантовой суперпозиции. Квантовая частица (например, фотон) может занимать одновременно сразу несколько положений в пространстве.
«Например, ток в электрической цепи, находящейся в особом, сверхпроводящем состоянии (обеспечивающем протекание тока без сопротивления), может одновременно течь в противоположных направлениях», — пояснил RT соавтор исследования, профессор физического факультета МГУ Николай Клёнов.
Если в классическом полупроводниковом процессоре бит информации представлен только в одном из двух состояний (1 или 0), то в квантовом процессоре количество состояний для его квантового эквивалента (кубита) возрастает во много раз.
Однако квантовый процессор должен быть дополнен вспомогательным блоком, состоящим из классических чипов.
«Электроника необходима для координации работы устройства, генерации специальных сигналов, управляющих состояниями кубитов, и обмена данными между квантовым ядром и классическим вычислителем», — отметил в беседе с RT один из авторов, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ Игорь Соловьёв.
Сложность заключается в том, что квантовые процессоры работают только при очень низких температурах в районе абсолютного нуля. А классические микросхемы в таких условиях просто перестают функционировать. Кроме того, квантовые состояния сверхпроводящих схем очень хрупкие. По мере роста числа кубитов квантового компьютера нарастает количество «шумов» — искажений данных.
Для решения этих проблем физики применили и усовершенствовали технологию flip-chip — способ соединения квантового и классического чипов «лицом к лицу» с помощью миниатюрных контактов. Учёные использовали индиевые связующие элементы на многослойной подложке из алюминия, титана и платины. По словам учёных, именно такой выбор материалов обеспечивает стабильную работу элементов при экстремально низких температурах.
Как объяснили авторы, для соединения двух микросхем с помощью классической пайки обычно используют припой — материал, способный создать надежное электрическое и механическое соединение.
«В нашем случае идеальным кандидатом для этого является индий (In) — мягкий и пластичный металл, обладающий низкой температурой плавления, который, что в нашем случае очень важно, при рабочих температурах кубитов находится в сверхпроводящем состоянии. Кубиты традиционно изготавливаются на основе алюминия (Al). К сожалению, адгезия индия к алюминию очень плохая, припой просто не прилипает. Поэтому потребовался буферный слой из титана, который обладает двумя важными свойствами — прекрасно сцепляется с алюминием, а также препятствует взаимной диффузии металлов», — пояснил RT Игорь Соловьёв.
Однако здесь возникает другая сложность — на стыке слоёв индия и титана образуются хрупкие соединения двух металлов — интерметаллиды. Чтобы решить эту проблему, учёные проложили дополнительный слой из платины.
«Мы подтвердили стабильную работу всех типов связи при сверхнизких температурах, а измеренные характеристики резонаторов совпали с теоретическими расчётами», — отметила в беседе с RT директор дизайн-центра квантового проектирования НИТУ МИСИС Наталия Малеева.
Как объяснил Игорь Соловьёв, результаты многих исследований говорят, что для создания квантового процессора мощностью свыше 100 кубитов потребуется разместить классические чипы, координирующие работу устройства, в непосредственной близости от квантовых вычислительных элементов. Это сэкономит место на квантовом чипе, а также повысит эффективность связи между кубитами. Такой подход позволит в перспективе удешевить и упростить всю конструкцию. Именно такое решение и предлагают физики в своём новом исследовании.
«Таким образом, технология находится в самом фундаменте разработки будущих многоэлементных квантовых вычислительных систем», — подытожил учёный.
Свежие комментарии