Разработан инновационный подход к объединению квантовых и традиционных процессоров

Специалисты из России создали методику интеграции квантовых и классических процессоров в единую систему. Высокая скорость квантовых вычислителей требует поддержки обычных кремниевых чипов, однако совмещение этих компонентов связано с технологическими сложностями, которые удалось преодолеть в рамках нового исследования.

Учёные Национального исследовательского технологического университета МИСИС, Московского государственного университета, Российского квантового центра и СП «Квант» представили оригинальный метод совмещения классических и квантовых процессоров. Решение обеспечивает устойчивую работу гибридных вычислительных систем, способных многократно превосходить по производительности современные суперкомпьютеры. Соответствующую информацию предоставили представители университета. Научные итоги размещены в рецензируемом журнале Advanced Quantum Technologies (Q1).

Основой функционирования квантовых машин является принцип суперпозиции: элементарные частицы (такие как фотоны) могут одновременно находиться в нескольких пространственных положениях.

«Наглядный пример — ток сверхпроводящей цепи (где электричество движется без потерь), способный одновременно циркулировать в противоположных направлениях», — пояснил соавтор работы, профессор физического факультета МГУ Николай Клёнов.

В отличие от традиционных полупроводниковых чипов, где бит представлен единственным состоянием (0 или 1), квантовые эквиваленты (кубиты) могут пребывать в многочисленных состояниях одновременно.

Несмотря на преимущества, квантовые процессоры требуют взаимодействия с вспомогательными классическими микросхемами.

«Эти компоненты критически важны для синхронизации работы систем, выработки управляющих сигналов и обмена данными между классическими и квантовыми модулями», — отметил в комментарии научный сотрудник НИИ ядерной физики МГУ Игорь Соловьёв.

Главная сложность кроется в температурной несовместимости: квантовые элементы функционируют лишь вблизи абсолютного нуля, тогда как обычная электроника в таких условиях выходит из строя. Кроме того, сверхпроводящие схемы чрезвычайно чувствительны — увеличение числа кубитов усиливает помехи и искажения данных.

Для преодоления этих ограничений физики усовершенствовали технологию flip-chip, предусматривающую «лицевое» соединение чипов посредством микроскопических контактов. Применение индиевых соединителей на многослойной основе из алюминия, титана и платины гарантирует устойчивость элементов в условиях сверхнизких температур.

Как пояснили эксперты, стандартные методики пайки используют специальный припой для создания электромеханической связи.

«Индий (In) оптимален благодаря пластичности, низкой температуре плавления и способности к сверхпроводимости при рабочих температурах кубитов. Однако его адгезия к алюминию (основе кубитов) недостаточна. Для решения использовали титановый буферный слой, обеспечивающий сцепление и предотвращающий взаимопроникновение металлов», — добавил Игорь Соловьёв.

Дополнительную сложность представляли хрупкие интерметаллические соединения на границе индия и титана. Устранить проблему позволило внедрение платинового промежуточного слоя.

«Экспериментально подтверждена стабильность всех соединений при криогенных температурах, а параметры резонаторов соответствуют теоретическим моделям», — сообщила руководитель дизайн-центра квантового проектирования НИТУ МИСИС Наталия Малеева.

Согласно выводам исследования, создание процессоров мощностью свыше 100 кубитов потребует непосредственного размещения классических управляющих компонентов рядом с квантовыми элементами. Подобная архитектура экономит площадь чипа, улучшает взаимодействие между кубитами и упрощает конструкцию системы в целом.

«Разработанная технология формирует основу для создания масштабируемых квантовых вычислительных платформ», — заключил учёный.