Технологии сверхпроводниковых квантовых схем отличаются от классического полупроводникового КМОП-процесса и требуют специальных компетенций. В НОЦ ФМН (совместный научный центр МГТУ Баумана и ВНИИА) смогли перейти от изготовления «отдельных кристаллов» к серийному выпуску благодаря собственной технологии сверхпроводниковых джозефсоновских схем. Это перспективное решение для создания высокоточных квантовых процессоров и параметрических усилителей, необходимых для точного считывания сигналов квантовых схем. Так, на одной пластине могут размещаться сотни чипов различных квантовых устройств, объединенных одним технологическим маршрутом изготовления.
Разработчикам потребовалось несколько лет, чтобы перейти к серийному производству квантовых устройств с высоким качеством и точностью изготовления элементов. Команда сознательно не желала идти на уступки в качестве и в результате даже смогла улучшить точность изготовления элементов квантовых схем до допуска 0,5 нм. Для сравнения, точность формирования элементов транзисторов передового КМОП-техпроцесса Intel сегодня также форсирует уровень 1 нм. Чтобы масштабировать разработанную технологию и запустить контрактное производство команде осталось дооснастить оборудованием исследовательский кластер в новом Бауманском кампусе.
Одной из ключевых задач при создании серийного техпроцесса было разработать наноразмерные элементы сверхпроводниковых устройств, так называемые джозефсоновские переходы. Джозефсоновский переход представляет собой сложную трехслойную структуру из алюминия, туннельного оксида алюминия и алюминия (Al-AlOx-Al). При охлаждении процессора до температуры ниже −273 °C, в этой структуре возникает кубит — базовый элемент квантовых схем.
В НОЦ ФМН удалось разработать технологию изготовления джозефсоновских переходов с линейными размерами на уровне десятков нанометров с суб-нанометровой точностью. Для наглядности, представим, что чип квантового процессора размером 4×10 мм — это вся Россия. Тогда джозефсоновский переход в ней будет Москвой-рекой. Этот уровень точности обеспечивает рекордные показатели воспроизводимости электрических характеристик переходов и параметров кубитов на мировом уровне.
Для внедрения технологии в серийное производство на пластине диаметром 100 мм команда разработала и успешно применила математическую модель, которая симулирует процесс воспроизводимого формирования сверхпроводниковых джозефсоновских переходов. Полученные результаты уже сегодня позволяют производить квантовые интегральные схемы с высокой точностью контроля частоты кубитов, что соответствует мировым стандартам.
Учитывая амбициозные планы развития квантовых технологий в РФ до 2030 года в России, ежегодный рост потребности в сверхпроводниковых интегральных схемах составит более 35%.
