Только сейчас мы подошли к созданию полупроводникового кубита – Владимир Лукичев

28.01.2022

-

Никто в мире ещё не добился заметных успехов в создании полупроводниковой платформы для квантового компьютера несмотря на значительные средства, которые вкладывают в решение этой задачи даже такие технологические гиганты как, например, IBM и Intel. Одним из пионеров этого направления стал Физико-технологический институт РАН (ФТИАН) им. К.А. Валиева, где в 1998 году появилась первая в России лаборатория, посвящённая исследованию квантовых компьютеров. Директор ФТИАНа, член-корреспондент РАН Владимир Лукичев считает, что только на этой платформе возможно создание практически полезного, масштабируемого до необходимых размеров квантового процессора.

Владимир Федорович, расскажите, с чего начались исследования проблемы создания квантового компьютера во ФТИАНе?

Все начиналось с попытки создать кубит, минимальный логический элемент квантового компьютера, на основе ядер атомов фосфора-31 в кремнии. Значение состояний кубитов в таком случае задается спином ядер атомов фосфора, которые должны были располагаться на расстоянии около 5 нм друг от друга. Но для этого кремний должен быть бесспиновым. Таким качеством обладает 28-й изотоп кремния. Его в природном кремнии около 92 %, но остальная часть – это кремний-30 и кремний-29, который имеет ненулевой спин ядра. В таком количестве он будет «шуметь» и забьет полезный сигнал, который вы попытаетесь организовать со спинами фосфора. Нужно было очистить природный кремний от 29-го изотопа, причем до 7-й девятки. В конце 1990-х мы с Камилем Ахметовичем Валиевым, основателем нашего института, участвовали в совещании, на котором обсуждался вопрос об использовании для этих целей предприятия по обогащению урана: там целые поля обогатительных центрифуг. Поскольку часть из них в то время стояли невостребованными, то возникло предложение обогащать на них кремний. Но когда выяснилось, что нужно всего 100 кг кремния в год, интерес к такому предложению пропал. Постепенно мы от такой конструкции кубита, имеющей технологические проблемы и проблемы масштабирования, отказались, и еще лет 10 назад перешли к более перспективной, с нашей точки зрения, идее – созданию кубита на основе так называемой двойной квантовой точки.

Что такое двойная квантовая точка и как на ее основе можно сделать кубит?

Двойная квантовая точка (DQD) – это две разделенных потенциальным барьером потенциальные ямы с одним электроном, который находится в одной из них. Для ее создания с помощью наших технологий формируется потенциальный рельеф в твердом теле. Размеры барьера мы обеспечиваем такие, что там возникает явление туннелирования электрона из одной потенциальной ямы в другую. Это известный эффект в квантовой физике: электрон, вроде бы не обладающий энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, все же может оказаться по другую его сторону из-за принципа неопределенности Гейзенберга. В классической механике частица либо может перескочить через барьер, либо нет. В квантовой механике частица может оказаться по другую сторону барьера с определенной вероятностью, которая зависит от прозрачности этого барьера. Кубит, как известно, принимает не детерминированное значение 0 или 1, как бит обычного компьютера, а является суперпозицией этих двух состояний. То есть он с некоторой вероятностью является как 0, так и 1. Эта вероятность и определяется состоянием кубита, и в случае полупроводниковой двойной квантовой точки состояние кубита может контролируемым образом изменяться в зависимости от прозрачности барьера.

Как эти двойные квантовые точки можно реализовать физически?

Мы предлагаем следующий вариант кремниевого кубита: создается канал транзистора нанометровой размерности – это кремниевый нанопровод сечением 10-20 нм. Этот канал проводящий. Если вы приложите напряжение, то вдоль него потечет ток электронов. Мы делаем вдоль канала затворные электроды, наподобие шлюзов в потоке. Если мы между этими электродами приложим такие напряжения, чтобы сформировать потенциальную яму, то электрон провалится в эту яму. Рядом будет вторая такая же яма, которая создается еще одной парой электродов. Потенциальная яма может иметь много стационарных уровней, но мы создаем такую электрически управляемую яму, что в ней может поместиться только один электрон, а второму уже некуда садиться. Это и есть двойная квантовая точка, содержащая единственный электрон. Один кубит.

 (jpg, 31 Kб)

Предлагаемый квантовый регистр квантового процессора на двойных управляемых квантовых точках в кремниевом fin-канале (fin – «плавник» в переводе с английского). (Концепция ФТИАН им. К.А. Валиева.)

Условимся, что «ноль» – слева, «единица» – справа. Электрон один на две ямы, и, управляя барьером между ними, можно управлять его положением, то есть состоянием кубита. Мы положение электрона заранее не знаем, но можем его определить (измерить): он либо слева, либо справа. Если так проделать много раз, то получим распределение вероятности его нахождения слева или справа.

 (jpg, 51 Kб)

Массив наноразмерных «подвешенных» кремниевых fin-структур c сечением 8х50 нм (ФТИАН им. К.А.Валиева).

В чем преимущество полупроводниковых кубитов в сравнении с другими технологиями, например – кубитами на сверхпроводниках и ионных ловушках, которые считаются наиболее перспективными и на которых в мире уже созданы прототипы с десятками кубитов?

Для создания полезного квантового вычислителя нужно не 10 и не 50, а, по крайней мере, 1000 логических квантовых битов – кубитов, каждый из которых будет включать тысячи физических кубитов. Если масштабировать до такого количества системы на сверхпроводниковых кубитах, ионах, фотонах или на чем угодно, то они будут пропорционально расти в размерах. К примеру, сверхпроводниковый кубит – это сверхпроводящее кольцо, в которое магнитным полем загоняется квант потока. Вы не можете его сделать нанометрового размера, потому что понадобится гигантское магнитное поле, чтобы в такую маленькую площадь загнать квант потока. Итоговый чип полномасштабного квантового процессора будет иметь метровые размеры. Такие же проблемы масштабирования у квантового процессора на ионах и фотонах.

Пусть квантовый чип получится с письменный стол, но ведь главное, что он будет работать?

Во-первых, этот чип нужно охлаждать до сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю, и представьте себе, какую надо делать огромную охлаждающую установку для этого. Но проблема даже не в этом. Дело в том, что каждый такой сверхпроводниковый кубит, имеющий Джозефсоновские переходы, способен спонтанно генерировать СВЧ-излучение, и изолировать остальные кубиты от него практически невозможно. При большом количестве кубитов полномасштабного процессора неконтролируемые интерференционные явления СВЧ-поля будут оказывать сильнейшее влияние на квантовые вычисления.

Рассказывая о прототипе квантового компьютера на ионах, созданного в ФИАНе в 2021 году, директор этого института Николай Колачевский действительно признал, что главная проблема состоит в том, что понятно, как сделать квантовую систему на 100 ионах, но как можно соединить 1000 ионов – непонятно.

Скорее, понятно, что такое невозможно. Ионы в ионных ловушках висят, как шарики на подвесе: один отклонил – и все заколебались. В этом состояла идея реализации запутанного состояния на такой платформе. Взаимодействие всех со всеми происходит за счет различных мод колебаний всей цепочки или решетки кубитов. Такую систему можно реализовать максимум для 20 или 30 ионов, но затем колебания все равно будут затухать.

Поэтому полупроводники, на наш взгляд, – это единственная возможность реализовать систему, когда идет речь о тысячах или миллионах кубитов. Как вы их будете объединять? Только с помощью технологий современной наноэлектроники, позволяющей формировать миллиарды топологически упорядоченных твердотельных структур, объединенных в единую электрическую/оптическую схему. За спиной этих технологий достижения полувекового развития микроэлектроники, и сейчас, пожалуй, это самый совершенный инструментарий в микромире.

Удалось ли уже создать полупроводниковый кубит на практике?

Полупроводниковый кубит нам пока создать не удалось. Дело продвигается медленно, и только сейчас мы вышли на уровень, на котором можем это сделать.

Почему за 10 лет не удалось реализовать эту идею? В чем сложность?

Во-первых, в нашей концепции нужно было научиться создавать потенциальный рельеф, решетку из нанонитей сечением 7–10 нм каждая. Это система так называемых fin-структур, fin – это «плавник» по-английски. Это трехмерная структура, в которой фактически должны быть реализованы последние промышленные достижения полупроводниковых процессоров с проектной нормой 7 нм. Поэтому сначала нужно было научиться делать качественные fin-структуры с такими критическими размерами, что для условий, в которых находится отечественная наука, является непростой задачей.

Для этого нужно было заново разработать комплекс технологий, которые получили аббревиатуру ASP (Atomic Scale Processing – технологии атомного масштаба точности), включающие не только прецизионную литографию, но и атомно-слоевое травление наноструктур, атомно-слоевое осаждение тонких пленок с контролем каждого монослоя. Мы эти технологии освоили. Соответствующее оборудование у нас сейчас есть. Но на это потребовалось время.

Затем надо было научиться делать на этих трехмерных гребнях охватывающие fin-структуру электроды, разделенные высококачественным диэлектриком. В отсутствие в России EUV-литографии (Extreme Ultraviolet Lithography – фотолитография в глубоком ультрафиолете) с необходимым разрешением единственным выходом является электронно-лучевая литография. Причем, нужно было научиться выполнять такую литографию с разрешением ~ 10 нм на непланарной поверхности, где перепад высот fin-структур достигает 50 нм. В результате мы сумели разработать процессы электронной литографии, формирующей затворные структуры в поперечном направлении на уже сформированном рельефе массива fin-каналов.

Получается много затворов, формирующих потенциальные ямы в fin-канале на расстоянии около 10 нм. В принципе, это структуры, похожие на транзисторные, как в обычной интегральной микросхеме. Для формирования электрических цепей, объединяющих управление кубитами и считывание их состояний, можно также использовать технологии, аналогичные системам многоуровневой металлизации ULSI (Ultra Large Scale Integration). Сейчас такой технологии создания многозатворных структур с fin-каналами с такими критическими размерами нет ни у кого в России, это совершенно точно. Но на эти исследования и разработки потребовалось и время, и деньги. Именно поэтому мы только сейчас вышли на уровень, который позволит нам создать полупроводниковый кубит.

При этом оказывается, что технологии, необходимые для создания полупроводниковых кубитов, пригодились и для других перспективных направлений – сверхчувствительных сенсоров вредных веществ, биологических сенсоров и многих других.

Что надо будет сделать дальше для создания полупроводникового кубита?

Пока мы показали только, что электронная литография, наноразмерное плазменное структурирование, атомно-слоевое осаждение у нас работают и позволяют создать полупроводниковые кубиты в нашей концепции. Следующая задача – с помощью этих технологий изготовить схему в несколько кубитов и измерить их свойства, провести квантовые операции. Но для того, чтобы эти квантовые точки работали как кубит, их надо охлаждать, чтобы убрать так называемый тепловой шум. Мы рассчитываем, что для этого не понадобится сверхнизких температур, достаточно будет единиц Кельвинов. Планируем это делать вместе с Лабораторией криоэлектроники МГУ, обладающей необходимым оборудованием и опытом измерений в криоусловиях. Это позволит убрать тепловые шумы и эффекты декогерентизации в полупроводниковом кубите. На все эти работы также требуется немалое финансирование.

Но ведь в России еще в 2019 году была принята дорожная карта по развитию квантовых технологий, и в ее рамках на создание квантовых компьютеров выделяются миллиарды рублей?

Принята дорожная карта, выделены миллиарды рублей, которые распределены по четырем платформам. Скажем, МГУ традиционно занимался квантовой оптикой, и стал головным по фотонной платформе. ФИАН занимался ионными ловушками, и стал головным по ионным квантовым компьютерам. Другие организации занимаются сверхпроводящими кубитами и кубитами на нейтральных атомах. Такое разделение всегда было в мировой науке: кто что умеет, то и пытается приспособить к тематике, в которой открывается финансирование.

Это моё видение того, что сейчас происходит с квантовыми технологиями. Это, впрочем, совершенно нормально и сказано вовсе не в упрёк уважаемым коллегам. Ведь и мы, как институт по фундаментальным исследованиям в области технологий полупроводниковой микро- и наноэлектроники, точно так же стараемся использовать наши возможности и компетенции. Поэтому мы предложили наиболее близкий именно нам вариант – полупроводниковые кубиты на двойных квантовых точках, то есть своего рода квантовую микроэлектронику нового типа, транзисторные структуры для квантовых вычислителей. Однако наше предложение в дорожную карту, к сожалению, не включили.

Можно предположить, что это произошло потому, что за рубежом тоже еще никому не удалось создать полупроводниковый кубит? Во всяком случае сообщений об этом нет, в то время как другие платформы усиленно развиваются и успехи в их создании регулярно звучат как сенсации.

Не совсем так, прототип полупроводникового кубита на двойной квантовой точке в рамках нашей концепции был реализован на основе GaAs японской компанией NTT в 2003 году. Наши основные идеи там экспериментально подтвердились, но уровень шума превышал 10 %. По технологии FINFET действительно никто, я думаю, в мире зарядовый кубит ещё не сделал. Но известно, что компании IBM и Intel вкладывают огромные деньги в исследования квантовых кубитов по полупроводниковой тематике, которые проводятся в Делфтском технический университете в Нидерландах. В Делфте для кодирования состояний 0 и 1 используются спиновые состояния электронов, находящихся в двойных квантовых точках, сформированных в кремнии. В качестве технологической основы используются 300-миллиметровые кремниевые пластины.

Но поскольку здесь пока результат не очевиден, то никто в России, кроме нас, за это и не берется. И в отечественную дорожную карту эта платформа не входит. Ее выкинули. В дорожной карте фокус на сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах в ловушках и фотонах.

То, что этого направления нет в дорожной карте с ее миллиардами, – это ошибка?

Я считаю, что да. Ни одна из существующих технологий кубитов не масштабируема в необходимой степени для полезных квантовых вычислений. То есть, нельзя довести квантовый процессор даже до 1000 физических кубитов, не говоря о проблеме масштабирования до необходимых тысяч логических и, соответственно, миллионов физических кубитов. С другой стороны, исследованиями потенциально масштабируемых полупроводниковых кубитов у нас, в России, просто никто не занимается. Наш институт, используя собственные ресурсы, только вышел на уровень, который позволит создать масштабируемую систему полупроводниковых кубитов. Мне кажется, только после получения первых фундаментальных результатов появится интерес к этому направлению.

Мы сейчас подали соответствующий проект в РНФ. Надеемся, что он будет одобрен и мы получим грант на такие исследования, хотя и небольшой. В любом случае, придется привлекать дополнительное финансирование.

Некоторые специалисты считают, что сделать полезный квантовый компьютер в обозримом будущем вообще невозможно…

На этот счет действительно есть разные мнения. Есть люди, которые считают, что сама квантовая механика просто-напросто неверна, поэтому все эти разговоры о квантовых вычислениях вообще ни о чем.

(jpg, 41 Kб)

Статус современных реализаций квантовых процессоров и путь, который необходимо пройти до полномасшабного квантового компьютера с достаточной надежностью вычислений.

Разумеется, на пути к квантовому компьютеру еще предстоит преодолеть немало не только количественных, но и качественных проблем. На этом графике по вертикальной оси в логарифмическом масштабе приведена вероятность ошибки в одной двухкубитной операции в различных реализациях квантовых процессоров, а по горизонтальной – количество кубитов. Все существующие на данные момент реализации находятся в левом верхнем углу, а прямая – это уровень надежности, который необходимо достичь для квантового компьютера с 10 000 кубитов, то есть какая должна быть ошибка на одну операцию, чтобы по этому параметру квантовый компьютер был сопоставим с классическим. Расстояние между тем, что сейчас достигнуто за 25 лет развития, и тем, что надо достичь, – 4 порядка величины. Поэтому, несмотря на достигнутые успехи, путь впереди предстоит еще долгий. Если, конечно, не будут найдены прорывные решения.

Но я считаю, что независимо от того, каким будет результат в смысле реализации полноценного квантового компьютера, исследования в этой области квантовой физики дадут другие фундаментальные результаты, которые, возможно, окажутся не менее важными, чем сами квантовые компьютеры. Взять, к примеру, квантовые сенсоры. Сейчас на их основе созданы гравиметры, которые измеряют гравитационное поле Земли с разрешением, достаточным для того, чтобы уловить изменения гравитации при удалении от поверхности на расстояние в доли метра. То есть, можно весь рельеф Земного шара представить в виде стационарной гравитационной карты высокого разрешения, и тогда, с помощью квантовых сенсоров, станет возможным глобальное ориентирование на местности по заранее оцифрованной карте гравитационного поля Земли, без всяких спутников GPS/GLONASS и ограничений на прием радиоволн. Так что бурный интерес научного сообщества к созданию квантовых компьютеров, – это не самый плохой пример применения интеллектуальных сил и материальных ресурсов. Побочные эффекты от этих исследований могут оказаться не менее ценными, чем их исходная цель.

еседовал Леонид Ситник, редакция сайта РАН.

Подразделы

Объявления

©РАН 2022