Квантовый компьютер выглядит громоздко не из-за самих кубитов, а из-за проводов. Даже самый изящный криостат, в котором кубиты охлаждают до долей градуса выше абсолютного нуля, обрастает целым пучком кабелей управления, и чем больше в машине кубитов, тем гуще эти заросли.
Схемы на сверхпроводниках позволяют перенести часть проводки внутрь криостата квантового компьютера
Проблема не только эстетическая. Кубиты работают лишь при температуре, близкой к абсолютному нулю, а обычная управляющая электроника в таком холоде не функционирует, поэтому сигналы приходится заводить внутрь криостата по внешним кабелям. С ростом числа кубитов растёт и число проводов, а каждый из них — это ещё и путь для тепла, которое способно дестабилизировать чувствительные кубиты.
Убрать часть этих проводов можно, если приблизить управляющую электронику к самим кубитам и заставить её работать в холоде. Именно этим занялся финский стартап S-Transistors, которому от роду чуть больше месяца: компания намерена собирать нужные схемы из сверхпроводниковых транзисторов, способных работать прямо в сверххолодной среде рядом с кубитами.
Компания выделилась из финского исследовательского центра VTT и базируется в городе Эспоо. Сам сверхпроводниковый транзистор изобрели не в S-Transistors — там уверяют, что совершили прорыв в другом: научились производить такие транзисторы на фабричном оборудовании, а не поштучно в лаборатории. Первые серийные схемы компания обещает вывести на рынок в 2027 году, а до этого планирует довести технологию до промышленной повторяемости на нескольких партиях пластин.
«Мы не претендуем на звание лучших производителей сверхпроводниковых транзисторов, зато умеем делать их сразу много, на целой пластине, и первыми объединяем их в сверхпроводниковые интегральные схемы нового типа, которых раньше просто не существовало», — говорит генеральный директор и сооснователь компании Георгий Богуславский, ранее работавший исследователем в VTT.
Графеновый «сэндвич»
В основе технологии S-Transistors лежит переход Джозефсона — структура из двух сверхпроводников, между которыми зажат нанослой другого материала. Ключевое свойство сверхпроводника в том, что при достаточно низкой температуре ток проходит через него без всякого сопротивления и потерь. Обычно прослойка перехода этому никак не мешает. Но стоит поднять ток выше определённого порога — критического тока, — и переход Джозефсона на долю секунды «выпадает» из сверхпроводящего состояния. Эта вспышка порождает крошечный управляемый импульс напряжения.
Переходы Джозефсона — не экзотика: многие квантовые компьютеры сами используют их как основной строительный блок для сверхпроводниковых кубитов.
S-Transistors добавляет к переходу Джозефсона третий контакт, который работает как затвор в обычном полевом транзисторе. Подавая на него электрическое поле, можно управлять критическим током перехода — такую конструкцию называют джозефсоновским полевым транзистором, или JoFET. Соединяя множество JoFET между собой, инженеры получают сверхпроводниковые схемы и более сложные устройства на их основе.
Сама идея JoFET не нова — попытки создать такой транзистор предпринимались ещё с 1980-х годов, — но в S-Transistors утверждают, что именно им впервые удалось наладить их массовое производство на фабричном оборудовании.
Такие транзисторы существуют давно, но S-Transistors впервые выпускает их серийно на стандартных CMOS-фабриках
Транзисторы изготавливают на кремниевых пластинах диаметром 150 мм (6 дюймов) по технологии, совместимой с обычным CMOS-производством: на пластину наносят слой графена и формируют три электрода из сверхпроводника на основе алюминия.
Два из трёх электродов касаются графенового канала, образуя переход Джозефсона на стыке алюминия и графена. Меняя напряжение на третьем, затворном электроде, можно менять критический ток — то есть включать и выключать сверхпроводимость.
Сам по себе графен сверхпроводником не является, но при правильных условиях сверхпроводящие электроды способны «просачивать» своё свойство в графеновый слой. Команда потратила несколько лет на подбор геометрии, материалов и техпроцесса, чтобы добиться нужного эффекта.
По словам исследователя Генералова и его коллег, им это удалось, и теперь команда переходит к сборке более сложных интегральных схем. «Наш ближайший шаг — продемонстрировать схемы из сотен сверхпроводниковых транзисторов», — отмечает Генералов.
План по прополке проводов
Сверхпроводники работают при очень низких температурах, а значит, способны взять на себя часть задач, которые сегодня решает электроника комнатной температуры, — но уже рядом с кубитами. Начиная с 2027 года S-Transistors планирует продавать сверхпроводниковые мультиплексоры и демультиплексоры для маршрутизации сигналов к кубитам, что позволит убрать часть громоздких кабелей.
В более отдалённой перспективе компания намерена свести число проводов к минимуму с помощью сверхпроводниковой «материнской платы», которая возьмёт на себя сразу несколько функций управления. Богуславский считает, что на основе тех же транзисторов можно строить усилители, память и другие аналоговые и цифровые схемы, то есть постепенно перенести внутрь криостата целый набор функций, которые сегодня выполняет электроника снаружи.
Сблизить систему управления квантовым компьютером с кубитами пытаются и другими способами — например, с помощью крио-CMOS: обычной кремниевой электроники, доработанной так, чтобы она сохраняла работоспособность в условиях квантового компьютера, то есть при температурах в единицы кельвинов и в присутствии сильных магнитных полей.
- Крио-CMOS может лучше подходить для части схем, но ближе всего к кубитам, по мнению S-Transistors, у сверхпроводниковых транзисторов есть преимущество
- Такие транзисторы напрямую совместимы с самими кубитами
- Они рассеивают меньше мощности, способной дестабилизировать кубиты, чем крио-CMOS
«Здесь есть потенциал для новой платформы криогенной электроники, которая будет работать заметно быстрее и рассеивать заметно меньше энергии, чем нынешние решения на крио-CMOS», — говорит Богуславский. Если прогноз компании подтвердится, часть кабельного «леса» вокруг промышленных квантовых компьютеров действительно может исчезнуть уже во второй половине этого десятилетия.
