Модуль считывания. Фото: НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Задача – услышать квантовые частицы

Практически полезный многокубитный квантовый компьютер – это кластер устройств, включающий непосредственно квантовый сопроцессор и технологический стек периферийного оборудования из нескольких модулей считывания с каскадом усилителей сигналов кубитов и управляющей электроники, расположенных в криостате растворения. Главной задачей модулей считывания является обеспечение высокоточных измерений состояний кубитов без нарушения их работы в ходе реализации квантовых алгоритмов. Сигналы, «поступающие» с кубитной схемы, сверхмаломощные (-130 дБм), и любой соизмеримый с ними приносимый шум, в том числе шум от использующихся в каскаде коммерчески доступных полупроводниковых усилителей, мешает точно услышать кубиты. На помощь приходят параметрические криоусилители, выступающие элементами первой ступени измерительного каскада. Один модуль считывания с криоусилителем работает с 10-15 кубитами, что требует создания серийной технологии изготовления устройств.

«Создание параметрического криоусилителя для считывания сверхпроводниковых кубитов – нетривиальная и при этом важнейшая для квантового инжиниринга задача. Разрабатываемое устройство должно, с одной стороны, усиливать сигнал, а с другой – делать это без привнесения дополнительных помех, – отметил Илья Родионов, директор НОЦ ФМН. – Нам удалось создать устройство, которое более чем в 20 раз увеличивает мощность сигнала и при этом «сжимает» шумы в системе до минимально возможных теоретически значений – квантового предела шумов. Благодаря запуску серийного выпуска таких усилителей в нашем центре сегодня мы можем предложить ведущим российским компаниям продуктовую линейку сверхвысокоэффективных модулей считывания для сверхпроводниковых квантовых компьютеров».

Команда НОЦ ФМН разработала широкополосный параметрический криоусилитель, повышающий точность считывания состояний сверхпроводниковых кубитов более чем в 10 раз. Бауманское ноу-хау обеспечивает экспериментально подтвержденные (Appl. Phys. Lett. 121, 232601) характеристики параметрических криоусилителей на уровне ведущих мировых групп: коэффициент усиления более 15 дБ в широкой рабочей полосе порядка 500 МГц при мощности насыщения -100 дБм и шумовой температуре системы до 350 миликельвин. Сегодня это один из лучших мировых результатов, при этом устройства выпускаются серийно.

Квантовый модуль считывания, не имеющий аналогов в России

Дизайн чипа и технология параметрических криоусилителей, разработанных НОЦ ФМН, заметно отличаются от мировых аналогов. Ученые центра используют конструкцию, состоящую из массива сверхпроводниковых «улиток» (SNAIL – Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLements, сверхпроводниковый нелинейный ассиметричный индуктивный элемент) на джозефсоновских переходах, и микрополосковых резонаторов. В качестве диэлектрического слоя конденсатора в устройстве используется кремниевая подложка, благодаря чему команде удалось существенно упростить технологический маршрут изготовления, заметно повысив качество. Предложенная технология требует стандартного набора технологического оборудования, необходимого для создания сверхпроводниковых квантовых схем.

Разработанная технология базируется на алюминиевой платформе – одной из наиболее перспективных для создания высококогерентных (высококачественных) квантовых процессоров и параметрических усилителей. «Разработка линейки параметрических усилителей стартовала у нас несколько лет назад в проекте ФПИ в сотрудничестве с командой ученых МИСиС, – отметила Дарья Москалева, научный сотрудник НОЦ ФМН. – Сегодня в Бауманке и ВНИИА мы проводим полный цикл собственных исследований в области широкополосных параметрических усилителей от идеи до применения в больших системах, включая усилители бегущей волны. Мы долго работали над технологией воспроизводимого изготовления «улиток» из джозефсоновских переходов, благодаря чему наши криоусилители работают еще лучше».

Во ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» и МГТУ им. Н.Э. Баумана исследования в области криогенных широкополосных усилителей проводятся при поддержке Фонда перспективных исследований и Минобрнауки России, в том числе в рамках стратегического проекта Bauman DeepTech программы «Приоритет 2030». Над созданием параметрических усилителей сегодня работают многие лидирующие научные группы мира, включая Google и IBM, а также университеты Chalmers, University of California, Berkeley, Grenoble Alpes University и др.

Источник информации и фото: НОЦ «Функциональные Микро/Наносистемы» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Разместила Ирина Усик