В России разработали передовую 3D-интеграцию для квантовых процессоров

Российские исследователи представили новую 3D-технологию интеграции микросхем, которая поможет создавать мощные гибридные квантово-классические процессоры. Разработка решает одну из главных инженерных задач в квантовой электронике — как надёжно соединить квантовую и классическую часть системы при температурах, близких к абсолютному нулю.

Сегодня квантовые процессоры насчитывают десятки или сотни кубитов — особых элементов, выполняющих вычисления, недоступные обычным компьютерам.

Классическая электроника в таких системах отвечает за управление, синхронизацию и обработку данных. Но чтобы решать действительно сложные задачи — от моделирования молекул до оптимизации логистики — потребуется уже тысячи и миллионы кубитов. Один чип столько не вмещает, поэтому процессоры собирают из нескольких взаимосвязанных модулей.

Проблема в том, что при температурах около 20 миллиКельвинов, необходимых для работы кубитов, любое соединение между чипами должно оставаться сверхпроводящим — передавать сигналы без потерь и не вносить шум. Чем больше элементов, тем труднее обеспечить такую стабильность.

Чтобы обойти это ограничение, учёные из МИСИС, МГУ, Российского квантового центра, Центра нанофабрикации СП «Квант» и парижской ESPCI-Paris усовершенствовали технологию flip-chip — метода, при котором чипы размещаются друг над другом и соединяются миниатюрными сверхпроводящими контактами.

Команда создала и протестировала индиевые соединительные элементы с многослойным металлическим основанием (Al/Ti/Pt/In). Они выдерживают резкие перепады температуры и не образуют дефектов на границе с алюминием — а именно такие дефекты раньше мешали работе кубитов.

«При совпадении частот резонаторов можно полностью передавать неклассические квантовые состояния с одного чипа на другой. Это ключевой шаг к построению квантовых сетей», — пояснил Николай Клёнов, доцент МГУ.

Учёные исследовали три типа связи между квантовым (Q-chip) и управляющим (C-chip) модулями — каждый вариант подходит для своих задач: от точной настройки параметров до передачи пикосекундных импульсов, управляющих кубитами.

«Мы подтвердили стабильную работу всех типов связи при сверхнизких температурах. Измеренные характеристики полностью совпали с теоретическими расчётами», — добавила Наталия Малеева, директор дизайн-центра квантового проектирования НИТУ МИСИС.

Разработка открывает путь к созданию модульных квантовых процессоров, где несколько чипов объединяются в единую вычислительную систему. Следующий шаг — интеграция реальных кубитов и отладка передачи квантовой информации.

В будущем такие технологии могут использоваться для разработки новых лекарств и материалов, финансового моделирования, криптографии и прогнозирования климата.

Исследование проведено при поддержке Госкорпорации «Росатом» в рамках дорожной карты «Квантовые вычисления» и программы Минобрнауки России «Приоритет-2030». Результаты опубликованы в журнале Advanced Quantum Technologies.