Как открытие ученых поможет создать вычислительные системы нового поколения

Российские ученые разработали технологию создания логических элементов вычислителей на новых физических принципах с точностью до 0,2 ангстрема (0,02 нм). Методика открывает дорогу к дальнейшей миниатюризации вычислительных элементов и созданию суперкомпьютеров нового поколения. В частности, в России смогут серийно изготавливать квантовые процессоры с тысячами кубитов — сверхпроводниковых искусственных атомов — с точно заданными параметрами.

Ультраточные процессоры на «на новой физике»

Российские ученые из центра «Шухов.Нано» (совместный центр МГТУ им. Баумана и ВНИИА имени Н.Л. Духова на базе кластера Квантум Парк) разработали технологию для создания процессоров нового поколения. Она базируется на инновационном методе формирования логических элементов с точностью до 0,2 ангстрема (0,02 нм).

Описание разработки опубликовано в Science Advances («Научные достижения») — одном из самых авторитетных в мире академических журналов. Технологию запатентовали в России, и в настоящий момент ведется ее патентование в других странах.

Как объяснили исследователи, внедрение методики позволит совершить прорыв в создании средств обработки информации и заложить технологическую базу для серийного производства вычислительных устройств нового поколения. В частности, в России и мире смогут массово производить тысячекубитные квантовые компьютеры на сверхпроводниковой платформе.

— Ведущие современные процессоры вмещают десятки и даже сотни миллиардов транзисторов (наноразмерных электронных переключателей) на одном кремниевом чипе. При этом «сжать» транзисторы до размеров атома, что в разы увеличит их количество, — рубеж, к которому стремятся многие разработчики, — рассказал «Известиям» один из создателей технологии, руководитель кластера «Квантум Парк» МГТУ им. Н.Э. Баумана Илья Родионов.

По его словам, две десятых ангстрема — это величина в пять раз меньше атома водорода. На таком масштабе работают не классические микроэлектронные устройства, а процессоры, использующие квантовые эффекты. В настоящее время в ангстремную эру вступают лишь избранные. Так, в 2025 году Intel представил свою технологию, которая предполагает точность 18 Å (ангстрем). В то же время Samsung создает техпроцесс на 12 Å, а TSMC — на 20 Å.

Как объяснил ученый, в основе современных микроэлектронных устройств находятся многослойные наноструктуры. Они состоят из атомарно тонких слоев металлов, оксидов металлов и полупроводников. Толщина такого «сэндвича» — в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса.

Суть новой технологии заключается в том, что ученые научились воздействовать на эти слои единичными ионами гелия или неона. В результате в кристаллической решетке металла образуются подвижные дефекты. Они перемещаются к границе между металлом и оксидом и вытягивают атомы кислорода. Из-за этого слой оксида становится чуть толще. Причем соседние структуры не повреждаются.

— Технология позволяет контролируемо и с точностью до «доли атома» (±0,2 ангстрема) управлять эффективной толщиной диэлектрического слоя. В процессе обработки ионы инертных газов ювелирно модифицируют кристаллическую решетку материала, доводя толщину диэлектрика до проектной с субангстремной точностью. Управление преобразованием слоев осуществляют с помощью внешней электроники. Процесс полностью автоматизирован и занимает секунду на один логический элемент, — уточнил Илья Родионов.

Новая методика, добавил он, получила название iDEA-технология. Это сокращение от английского Ion beam-induced DEfects Activation, что переводится как «активация дефектов фокусированными ионами». Такая технология предложена впервые в мире. Конкурирующие разработки — лазерный отжиг, электронное облучение и электрическая обработка — отличаются на порядки большей площадью воздействия, требуют больше времени и не дают возможности обработать близкие структуры нанометровых размеров.

Техплатформа для 1000-кубитных квантовых процессоров

Сверхпроводящие квантовые компьютеры, объяснил ученый, одна из ведущих технологий квантовых вычислений. В качестве кубитов (логических элементов) эти машины оперируют «искусственными атомами» — крошечными микросхемами, которые ведут себя как настоящие (с ядром и электронной оболочкой), но дают больше возможностей для управления квантовыми состояниями — суперпозицией, запутанностью и другими.

При этом любое отклонение толщины диэлектрика (вплоть до атома) существенно изменяет спроектированные частоты кубитов, они «уплывают», разрушая расчеты разработчиков квантовых процессоров.

Вместе с тем существенное препятствие на пути к практически полезным квантовым вычислениям создают ошибки, вызванные неверно выставленной частотой кубитов. В результате возникают перекрестные помехи — потери энергии или нежелательный обмен энергией между кубитами. Причем по мере их увеличения на чипе вероятность помех и ошибок увеличивается экспоненциально. Представленная технология устраняет эти проблемы, отметил ученый.

— Процесс управления наноструктурами просчитывают и моделируется заранее — на уровне отдельных молекул. После специалисты «тюнингуют» изготовленные кубиты на нужную частоту, приближая выход годных квантовых схем к 100%. Отклонение от проектной частоты составляет не более ±0,35%, — описал методику ведущий разработчик сверхпроводниковых квантовых процессоров «Квантум Парка» Никита Смирнов.

Он добавил, что iDEA-отжиг позволяет изменять частоту кубитов непосредственно в составе многокубитных квантовых процессоров. Разброс в 0,35% по чипу — на сегодняшний день одно из лучших достижений в мире. Представленная технология дает возможность создавать практически идентичные логические элементы, что открывает возможности для конструирования тысячекубитных квантовых процессоров.

По мнению Никиты Смирнова, это ускорит переход к гибридным суперкомпьютерам — высокопроизводительным системам, которые для достижения максимальной эффективности сочетают в себе разные типы вычислительных архитектур.

— 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, – рассказал Илья Родионов.

В то же время, пояснил он, квантовый процессор — это единый механизм, который объединяет десятки сложных процессов. Каждый из них должен работать как часы. Именно поэтому представленное открытие — это путь к практически полезным квантовым вычислениям.

— Если метод хорошо отработать и адаптировать, его можно применять очень широко, так как вся современная электроника и фотоника требуют сверхточных наноструктур с идеальной повторяемостью. Методика открывает дорогу к дальнейшей миниатюризации логических элементов и созданию суперкомпьютеров нового поколения, — прокомментировал профессор кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Николай Кленов.

Если технологию удастся масштабировать и приспособить для разных задач, она станет универсальной основой не только для квантовых вычислений, но и для обычных микросхем, да и вообще для передовых производств, подчеркнул он.

— Метод облучения ионами известен. Однако разработчики нашли новые возможности для его применения. Неочевидное значение разработки заключается также в том, что технология позволяет ремонтировать сложные квантовые системы, что раньше было трудно или невозможно. К примеру, можно проверять и настраивать свойства логических элементов по отдельности. Облучение ионами убирает дефекты и восстанавливает нужные характеристики, — отметил директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий Московского физико-технического института Василий Столяров.

В результате, пояснил эксперт, разработчикам не нужно тратить ресурсы, добиваясь высоких технологических характеристик кубитов, поскольку можно доводить их до нужной кондиции, применяя методы локального облучения. Это удешевляет процесс разработки новых вычислительных систем. Более того, если даже кубит деградировал, можно этим методом его восстановить и подстроить.