Российские исследователи из МГТУ им. Баумана и ВНИИА разработали технологию iDEA для создания элементов вычислительных устройств с точностью до ±0,2 ангстрема (1 ангстрем (Å) = 0,1 нанометра (нм) ≈ диаметр атома). Эта технология позволяет производить квантовые процессоры с тысячами кубитов, что может ускорить создание гибридных суперкомпьютеров.

Современные процессоры содержат миллиарды транзисторов на одном чипе. Основные производители работают над уменьшением их размеров: Intel разрабатывает 1,8 нм технологию, Samsung - 1,2 нм, TSMC - 2 нм. Важным параметром является толщина подзатворного диэлектрика (1,5-2 нм), которую научились контролировать с точностью ±0,2 нм, сообщает пресс-служба МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Дальнейшее уменьшение размеров транзисторов потребует разработки новых физических принципов их работы, и такие исследования ведутся уже более 20 лет. Гибридные компьютеры, объединяющие возможности современных КМОП технологий и сопроцессоров на новых физических принципах (пост-КМОП), могут обеспечить колоссальный рост производительности. Появление таких компьютеров полностью изменит нашу жизнь: от лекарств и транспорта до освоения дальнего космоса.

Сверхпроводниковые квантовые сопроцессоры — лидирующая пост-КМОП платформа и многие ведущие страны (США, Китай, Япония, страны ЕС и др.) 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, только созданные руками человека.

Именно такую возможность предоставляет российская iDEA технология (от англ. ion beam-induced DEfects Activation — активация дефектов фокусированными ионами), разработанная в 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.

iDEA отжиг сверхпроводниковых кубитов с субангстремной точностью

Одним из основных препятствий на пути к практически полезным квантовым вычислениям являются ошибки двухкубитных операций, часто вызванные неверно выставленной частотой кубитов. При совпадении частот энергетических уровней кубитов и элементов квантовых схем возникают перекрёстные помехи — потери энергии из вычислительной квантовой системы, нежелательный обмен энергией между несколькими кубитами и т.п. По мере роста числа кубитов на чипе вероятность таких перекрёстных помех и ошибок увеличивается экспоненциально.

«Ранее одинаковые атомы могла создавать только природа — это было за гранью доступных технологий. Мы могли изготовить хоть 100 кубитов на уровне полупроводниковой фабрики, но даже малейший разброс размеров в ±5 нм или толщины туннельного барьера в доли нанометра по чипу приводит к недопустимым ошибкам для некоторых кубитов», — рассказывает Илья Родионов, руководитель кластера Квантум Парк. — Квантовый процессор — это единый механизм, объединяющий десяток топовых технологий, и каждая должна работать, как часы. Сегодня мы представляем критический метод управления параметрами кубитов. Наше открытие — это путь к практически полезным квантовым вычислениям. Да, он непростой и довольно длинный, но мы ускоряемся!».

Частота кубитов задаётся параметрами туннельного диэлектрика джозефсоновских переходов. Любое отклонение толщины диэлектрика — вплоть до атома — существенно изменяет спроектированные частоты кубитов, они «уплывают», разрушая все расчёты разработчиков квантовых процессоров и снижая точность вычислений.

Технология iDEA, разработанная в Шухов.Нано, позволяет контролируемо и с точностью до «доли атома» (±0,2 ангстрема) управлять эффективной толщиной диэлектрического слоя — довести джозефсоновский переход до идеала. Для этого структура облучается одиночными ионами гелия или неона. В процессе обработки ионы инертных газов ювелирно модифицируют кристаллическую решётку материала, доводя толщину диэлектрика до проектной с субангстремной точностью. Процесс полностью автоматизирован и занимает всего одну секунду на кубит.

«Сам процесс просчитывается и моделируется заранее — на уровне отдельных молекул, — отмечает Никита Смирнов, ведущий разработчик сверхпроводниковых квантовых процессоров Квантум Парка. — После этого мы «тюнингуем» изготовленные кубиты на нужную частоту, приближая выход годных квантовых схем к 100%. Мы обеспечиваем отклонение от проектной частоты кубита не более ±0,35%, и это позволяет переходить к многокубитным квантовым процессорам и симуляторам».

Разработанная серийная технология позволяет изменять частоту кубитов в диапазоне от 10 до 400 МГц (от 0,2 до 10%) в составе многокубитных квантовых процессоров. Обеспечить разброс частот кубитов в 0,35% (±17МГц) по чипу с локальной обработкой радиусом менее 10 нм сегодня в мире возможно только с применением iDEA подхода. Более того, метод не влияет на когерентные свойства квантовых систем, с его помощью изготовлены самые высококогерентные кубиты-трансмоны в России, «время жизни» которых после iDEA отжига превысило 500 мкс (уровень ведущих мировых компаний). Технология апробирована при создании серии сверхпроводниковых квантовых сопроцессоров и реализации на них квантовых алгоритмов для решения задач материаловедения.

В IBM Quantum посчитали, что для используемой архитектуры текущий уровень их технологии (±14-18 МГц) позволит изготавливать квантовые процессоры с 300 кубитами. С помощью iDEA метода уже сегодня понятно, как превзойти уровень точности ±10 МГц, кроме того, архитектура ВНИИА/МГТУ накладывает менее строгие ограничения на частоты. Это позволит создавать российские квантовые процессоры с 1000 и более кубитов — идеальных искусственных атомов с выходом годных близким к 99%.

Российские технологии процессоров нового поколения

Технология обработки искусственных атомов фокусированным ионным пучком предложена впервые в мире. Конкурирующие разработчики гибридных сопроцессоров используют альтернативные способы, например, лазерный отжиг, электронное облучение или электрическую обработку. Эти методы отличаются на порядки большей площадью воздействия и не дают возможности обработать близкие структуры нанометровых размеров. Выигрыш ещё и в производительности: одна секунда на кубит (технология Шухов.Нано) против десятков секунд для технологии лазерного отжига (IBM Quantum) и сотен секунд — для электрической обработки (Rigetti). iDEA точнее, быстрее и не повреждает соседние элементы — критическое преимущество при масштабировании.

Не только в квантах

Технология iDEA может применяться для изготовления других пост-КМОП процессоров, использующих скрытые диэлектрические слои. В их числе транзисторы и мемристоры, магнитные скирмионы — ключевые компоненты вычислителей следующего поколения и систем ИИ. Разработанный метод открывает путь к практическому применению пост-КМОП архитектур, необходимых для преодоления физических и энергетических ограничений классических полупроводниковых процессоров.

Российская разработка оценена научным сообществом: статья с результатами исследований опубликована ведущим издательством Science. Достижение команды МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА» выводит российские пост-КМОП технологии на лидерские позиции в мире.

Подписывайтесь на Телеграм «Сделано у нас» тут, а на сообщество на Пикабу можно подписаться здесь