В России создано первое серийное производство квантовых процессоров на 100-мм пластинах

В России открыто первое контрактное производство сверхпроводниковых квантовых процессоров на 100-мм пластинах. Данная инициатива МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» позволит удовлетворить растущий спрос на сверхпроводниковые интегральные схемы со стороны технологических компаний и научных лабораторий. Производство будет находиться в новом кампусе МГТУ им. Н.Э. Баумана. Ежегодный рост потребности в сверхпроводниковых интегральных схемах к 2030 году составит более 35%, отмечается на сайте университета.

Квантовые процессоры рассматриваются как ключ к созданию экзафлопсных суперкомпьютеров следующего поколения, необходимых для решения широкого спектра задач - от фундаментальных в теоретической физике до прикладных в промышленности, медицине и бизнесе. Выступая в роли сопроцессоров, они обеспечат дополнительную мощность, справляясь с подзадачами на порядки быстрее.

«Суперкомпьютерные вычисления становятся сегодня абсолютным приоритетом ведущих мировых держав благодаря внедрению методов искусственного интеллекта, — отмечает Александр Андрияш, научный руководитель ФГУП "ВНИИА им. Н. Л. Духова". — Поставленная цель увеличения мощности российских суперкомпьютеров в десятки раз к 2030 году может быть достигнута в том числе благодаря разработанным на базе МГТУ им. Н. Э. Баумана серийным технологиям квантовых сопроцессоров».

Переход от единичных кристаллов к массовому производству стал возможен благодаря собственной технологии сверхпроводниковых джозефсоновских схем. На одной пластине размещаются сотни чипов различных устройств, объединенных общим маршрутом изготовления. Для сохранения высокого качества потребовалось несколько лет работы.

Важнейшей задачей при постановке серийного техпроцесса стало создание наноразмерных элементов сверхпроводниковых устройств — джозефсоновских переходов. Они представляют собой трехслойную структуру из алюминия, туннельного оксида алюминия и алюминия (Al-AlOx-Al), в которой «рождается» кубит при переходе чипа в состояние сверхпроводимости (охлаждение процессора до температуры ниже −273 С).

В НОЦ ФМН поставлена технология изготовления джозефсоновских переходов с линейными размерами в десятки нанометров с суб-нанометровой точностью (если представить весь чип квантового процессора 4×10мм размером с Россию, то джозефсоновский переход на нем — это Москва-река), что обеспечило рекордные показатели воспроизводимости электрических характеристик переходов и параметров кубитов процессоров на мировом уровне (Scientific Reports vol. 13, 6772 (2023)).

«При отработке технологии особое внимание мы уделяли операциям электронно-лучевой литографии, осаждения и формирования туннельных барьеров, определяющим геометрию и «внешний вид» будущего кубита. Установили влияние каждого фактора процессов на структуру джозефсоновских переходов. Такой скрупулезный подход обеспечил результат», — отмечает Дмитрий Москалев, ведущий инженер НОЦ ФМН.

В итоге команде удалось достичь точности формирования элементов схем менее 0,5 нм. Для сравнения — точность формирования элементов транзисторов передового КМОП-техпроцесса Intel сегодня также форсирует уровень 1 нм. Для масштабирования разработанной технологии и запуска контрактного производства команде осталось дооснастить построенный в 2024 году в новом Бауманском кампусе исследовательский кластер (площадь чистых комнат более 2500 м2) уже спроектированным оборудованием.