Кто делает кубиты сверхпроводящими?

Мы живем в удивительное время, когда ни одна из научных сфер не обходится без участия женщин. Они проектируют летательные аппараты, создают медицинские препараты и открывают космические объекты. А еще участвуют в создании квантового компьютера и делают все, чтобы отечественная наука вырвалась вперед в мировой гонке.

Чтобы узнать о технологических разработках российских женщин-ученых мы приехали в совместный научно-образовательный центр «Функциональные Микро/Наносистемы» МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» (НОЦ ФМН). Комплекс состоит из чистых комнат – это помещения с технологическим и метрологическим оборудованием с разным классом чистоты – от ISO5 до ISO7.

В каждой комнате ведутся исследования – сотрудники развивают одну из сфер отечественной науки: нанофотоника и оптика, бионанотехнологии, альтернативная энергетика и квантовые вычисления. 

В последней области работают Анастасия Пищимова – научный сотрудник НОЦ ФМН, и Елизавета Малеванная – младший научный сотрудник НОЦ ФМН. 

Они участвуют в создании первого в мире функционального универсального квантового компьютера. Он будет работать на основе сверхпроводниковых кубитов (кубит или «квантовый бит» – минимальная единица хранения информации в квантовом компьютере).

Чистая комната будущего 

В сером коридоре учебно-лабораторного комплекса МГТУ имени Баумана есть множество дверей. Одна из них – это портал в технологичное будущее – центр, где наши героини создают сверхпроводящие кубиты. Они станут основой для будущего квантового компьютера. Попасть в эти чистые комнаты не так просто. Для этого нам пришлось облачиться в защитные костюмы, маски и оставить все свои вещи за пределами помещений. Чистые комнаты – привычное место работы для Анастасии и Елизаветы. 

«Здесь мы проводим от нескольких часов до целого дня. Когда горят сроки и нужно изготовить образец, то ты можешь зайти с утра и выйти вечером. Процессы не ждут», – говорит Анастасия, – тяжело не столько в костюме, сколько в маске. Сейчас, конечно, все знают, каково это – ходить в маске. Пару часов в ней – некомфортно, хочется выйти попить кофе или воды. Но ко всему привыкаешь», – говорит Анастасия. 

В чистых комнатах все строго – фильтрация воздуха, особая температура и влажность. И никаких загрязнений. 

«Никаких причесок, никакого макияжа. Про тушь для ресниц мы вообще забыли, потому что любые частички косметики могут стать дефектом, который нарушит работу чипа», – добавляет Анастасия. 

Про квантовый компьютер 

Сейчас ведущие технологические страны мира участвуют в гонке по созданию квантового компьютера. Тот, кто выиграет это состязание – получит колоссальное преимущество, поскольку вычислитель такой невероятной мощности перевернет практически все аспекты жизни обычных людей: от создания новых лекарств и медицинского оборудования до энергетики. Летающие машины, корабли и другие невероятные механизмы могут стать реальностью, а не кадрами режиссерского кино. Но этому предшествует долгая кропотливая работа и интересные научные и технические открытия. Одно из них – технологии изготовления квантовых битов информации (кубитов). 

Чип квантового процессора проходит сложный путь: от входной очистки кремниевой заготовки (пластины диаметром 100мм) до изготовления микроволновых резонаторов, джозефсоновских переходов, других элементов схемы и их измерений при температуре, близкой к абсолютному нулю по Кельвину (в космосе теплее!). 

Джозефсоновский переход – это база для создания квантового компьютера. Если представить весь чип квантового процессора размером с Россию, то джозефсоновский переход на нем – это Москва-река. В НОЦ ФМН исследованием и разработкой джозефсоновских переходов занимается Пищимова Анастасия. Результаты ее группы по отдельным параметрам превосходят лучшие мировые аналоги. 

«Джозефсоновский переход – это важнейший нелинейный элемент сверхпроводниковых кубитов, благодаря которому в сверхпроводниковых квантовых компьютерах в принципе возможно создание вычислительных ячеек. В обычных компьютерах все операции реализуются на битах, когда у нас есть ноль и единица. Сверхпроводниковые кубиты – именно благодаря джозефсоновскому переходу – могут управляемо находиться в состоянии суперпозиции: быть и нолем, и единицей одновременно. При увеличении количества кубитов эффективность вычислений растет экспоненциально», – объясняет Анастасия.  

Чтобы сверхпроводниковые кубиты могли работать как задумано, необходимо собрать измерительную схему, охладить и запустить измерительные алгоритмы. Это огромный пласт работы, не менее важный, чем собственно изготовление элементной базы. Активный участник этого процесса – Елизавета Малеванная. 

«Охлаждение кубитов происходит в специальном холодильнике – криостате растворения. Он позволяет достичь температуры, близкой к абсолютному нулю – ниже 0,01 градуса от абсолютного нуля (-273,16ºС). В таких условиях металл чипа квантового процессора, в нашем случае алюминий, переходит в состояние сверхпроводимости, когда ток течет без сопротивления. При таком глубоком охлаждении тепловые шумы пропадают и квантовые устройства начинают работать должным образом. Помимо этого, «начинка» криостата позволяет защитить чипы от электромагнитного излучения и других внешних воздействий, которые сокращают время жизни кубитов», – рассказывает Елизавета.  

Женское это дело

«Наш центр – это пример того, что технические профессии сегодня доступны каждому, главное, чтобы человек осознавал и любил то, чем он занимается, – отмечает Елизавета, – Участие в сложнейшем квантовом проекте мотивирует меня изучать научные статьи, вести расчеты и моделирование, облачаться в костюм и проводить эксперименты в нашей Чистой». 

По прогнозам ученых, на создание прототипа квантового компьютера может уйти от 10 до 20 лет. Мировая квантовая гонка продолжается с 1990-х годов, когда впервые были предложены практически полезные квантовые алгоритмы и реализованы первые кубиты. Российские исследования в этой сфере в надежных женских руках, и они начинаются за одной из дверей серого коридора бауманского университета. 

Фото на странице и в галерее: Андрей Луфт / «Научная Россия»