Российские исследователи из МИСИС, МГУ имени М.В. Ломоносова, Российского квантового центра и ESPCI-Paris разработали технологию трёхмерной интеграции чипов для гибридных квантово-классических процессоров, решая одну из ключевых инженерных проблем масштабирования квантовых вычислений — надёжное соединение квантовых и классических компонентов при температурах около 20 мК.

В современных гибридных процессорах кубиты выполняют квантовые операции, а классическая электроника — управляет их состоянием, синхронизирует вычисления, считывает результаты и обрабатывает данные. Для решения задач, требующих тысяч и миллионов кубитов — например, моделирования сложных молекул или оптимизации логистических сетей — необходимо объединять несколько чипов в единую систему. Однако при увеличении числа кубитов и управляющих линий возникает фундаментальная проблема: соединения между чипами должны сохранять сверхпроводимость, передавать сигналы без потерь и не вносить электромагнитный шум, разрушающий когерентность квантовых состояний.

Для решения задачи применена модифицированная технология flip-chip — метод, используемый в классической микроэлектронике для вертикальной интеграции чипов. В новой реализации соединения между квантовым чипом (Q-chip) и управляющим чипом (C-chip) выполнены из многослойных индиевых микростолбиков с металлическим фундаментом Al/Ti/Pt/In. Такая структура обеспечивает стабильную сверхпроводящую проводимость при температурах ниже 100 мК и предотвращает образование нежелательных интерметаллических соединений на границе алюминий–индий, которые могут вызывать локальные потери энергии и деградацию кубитов.

Экспериментально подтверждено, что соединения сохраняют свою целостность при термических циклах между комнатной температурой и 20 мК, что критично для многомодульных систем, требующих регулярного обслуживания и калибровки. Исследователи протестировали три типа соединений, оптимизированных для разных задач:
— для передачи медленных управляющих сигналов (низкочастотные линии);
— для точной настройки резонаторов кубитов;
— для передачи пикосекундных импульсов, необходимых для манипуляции квантовыми состояниями.

Теоретическая модель, разработанная совместно с МГУ, показала, что при совпадении резонансных частот связанных чипов возможно передавать неклассические квантовые состояния — например, запутанные состояния — между модулями без декогеренции. Это открывает путь к построению внутренних квантовых сетей внутри одного процессора, где отдельные модули могут обмениваться квантовой информацией напрямую, а не через классические каналы.

Результаты опубликованы в журнале Advanced Quantum Technologies (Q1). Эксперименты показали, что параметры резонаторов, измеренные в условиях сверхнизких температур, соответствуют теоретическим расчётам с точностью до 98%, что подтверждает стабильность и воспроизводимость технологии.

Технология не требует изменения архитектуры самих кубитов — она решает проблему межмодульной связи, оставаясь совместимой с существующими типами сверхпроводящих кубитов (трансмон, фазотрон и др.). Это позволяет интегрировать её в существующие производственные линии без полной перестройки.

Следующий этап — интеграция реальных квантовых элементов с управляющей электроникой и точная передача квантовой информации между модулями в условиях многокомпонентной системы. Успешное масштабирование позволит создавать процессоры с десятками тысяч кубитов, необходимые для применения в квантовом моделировании материалов, квантовой криптографии, финансовой оптимизации и климатическом моделировании.

Разработка выполнена при поддержке Госкорпорации «Росатом» в рамках Дорожной карты «Квантовые вычисления» и стратегического проекта «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030». Технология представляет собой не просто улучшение соединений — она создаёт основу для архитектуры, в которой квантовые вычисления становятся масштабируемыми, а не экспериментальными.