Российские учёные разработали уникальный модуль для сверхпроводниковых квантовых компьютеров.
Группа учёных из Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н.Л. Духова и Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана разработала модуль считывания на базе широкополосных параметрических криоусилителей для высокоточного считывания состояний кубитов в квантовых компьютерах. Работа выполнена на базе совместного исследовательского центра «Функциональные микро/наносистемы» (НОЦ ФМН).
Новый модуль позволит более чем на порядок повысить точность считывания состояний сверхпроводниковых кубитов при реализации сложных квантовых алгоритмов. Авторами проекта экспериментально подтверждено, что коэффицент усиления превышает 15 дБ в широкой полосе рабочих частот свыше 500 МГц при мощности насыщения −100 дБм и шумовой температуре системы на уровне теоретического предела порядка 350 миликельвин.
Конструкция состоит из массива сверхпроводниковых «улиток» (аббревиатура от словосочетания “сверхпроводниковый нелинейный ассиметричный индуктивный элемент” звучит на английском также, как “улитка”) на джозефсоновских переходах и микрополосковых резонаторов. В качестве диэлектрического слоя конденсатора в устройстве используется кремниевая подложка, благодаря чему команде удалось существенно упростить технологию изготовления, в то же время повысив качество устройств.
Практически полезный многокубитный квантовый компьютер — это кластер устройств, включающий 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. В этом помогают параметрические криоусилители, выступающие элементами первой ступени измерительного каскада. Один модуль считывания с криоусилителем работает с 10–15 кубитами, что требует разработки серийной технологии изготовления устройств.
Над созданием параметрических усилителей сегодня работают многие лидирующие научные группы мира. Достигнутые российскими учёными результаты — одни из лучших в мире. И дизайн чипа, и технология параметрических криоусилителей, разработанных НОЦ ФМН, заметно отличаются от мировых аналогов.
«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, — прокомментировал событие 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».
