В России разработали передовую технологию 3D-интеграции для квантовых процессоров

Группа российских учёных представила инновационную технологию трёхмерной интеграции микросхем, способную существенно продвинуть разработку гибридных квантово-классических процессоров. Новое решение устраняет одну из ключевых инженерных проблем квантовой электроники: обеспечение надёжной связи между квантовой и классической частями системы при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю.

Современные квантовые процессоры включают от нескольких десятков до сотен кубитов — элементов, выполняющих вычисления, недоступные для традиционных компьютеров. Классическая электроника в таких системах управляет синхронизацией, обработкой данных и другими вспомогательными функциями. Однако для решения масштабных задач — например, в молекулярном моделировании или логистике — потребуется значительно больше кубитов, счёт пойдёт на тысячи и миллионы. Один чип не способен вместить такое количество, поэтому архитектура строится на соединении нескольких модулей.

Критическая сложность заключается в том, что при рабочей температуре около 20 миллиКельвинов любые соединения между чипами должны быть сверхпроводящими — без потерь сигнала и лишнего шума. С ростом числа компонентов обеспечить такую стабильность становится всё труднее.

Для преодоления этого барьера исследователи из НИТУ МИСИС, МГУ, Российского квантового центра, Центра нанофабрикации СП «Квант» и парижского института ESPCI-Paris доработали технологию flip-chip, позволяющую располагать микросхемы друг над другом и соединять их с помощью сверхпроводящих мини-контактов. Были созданы новые индиевые соединительные элементы с основанием из нескольких металлических слоёв (Al/Ti/Pt/In), способные выдерживать температурные перепады и не образовывать дефектов на границе с алюминием — таких, которые ранее мешали стабильной работе кубитов.

В рамках проекта исследовались три варианта соединений между квантовыми (Q-chip) и управляющими (C-chip) модулями — каждый из них рассчитан на конкретные задачи, включая тонкую настройку параметров и передачу сверхкоротких управляющих импульсов.

Технология открывает путь к созданию масштабируемых модульных квантовых процессоров, где несколько микросхем действуют как единая вычислительная система. Следующим этапом станет интеграция настоящих кубитов и настройка передачи квантовой информации между модулями.

Подобные технологии в перспективе могут использоваться в разработке лекарств и новых материалов, финансовом моделировании, криптографии и климатических прогнозах.

Исследование было выполнено при поддержке Госкорпорации «Росатом» в рамках дорожной карты «Квантовые вычисления» и программы Минобрнауки России «Приоритет-2030». Результаты опубликованы в журнале Advanced Quantum Technologies.