В Квантум Парке МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА» разработана технология изготовления сверхпроводниковых интегральных схем на основе тантала — одной из перспективных материальных платформ квантовых сопроцессоров. Именно она позволяет в разы улучшать качество сверхпроводниковой квантовой электронной компонентной базы (ЭКБ). Добротность российских танталовых чипов достигает десятков миллионов — уровня, доступного лишь нескольким мировым научным центрам. Результаты опубликованы в авторитетном журнале Applied Physics Reviews (APR 2026). Первые поставки квантовых сопроцессоров на танталовой платформе законтрактованы уже на осень 2026 года.
Масштаб текущей революции в технологиях ИИ напрямую зависит от вычислительных мощностей. Суперкомпьютеры нового поколения критически необходимы для обучения нейросетей, климатического моделирования, расшифровки геномов, поиска новых материалов. При этом классические машины подходят к физическому барьеру: потребляют мегаватты энергии, занимают целые здания, их производительность упирается в законы квантовой физики. К 2030 году миру потребуются экзафлопсные системы – на порядки быстрее существующих.
СЭМ-снимки чипа с резонаторами на основе танталаОдно из магистральных перспективных направлений – использование гибридных архитектур, когда классические суперкомпьютеры работают в связке с квантовыми, фотонными, нейронными и другими сопроцессорами. Сверхпроводниковая квантовая платформа – в числе самых перспективных, и именно с ней работают IBM, Google и другие бигтехи. Почти 25 лет отрасль развивалась на алюминии – технологичном и, казалось, незаменимом материале, благодаря которому NISQ-квантовые процессоры стали реальностью. Однако с ростом числа кубитов существующие материалы и технологии ограничивают производительность вычислителей: поверхностные дефекты и окисление усиливают декогеренцию кубитов, что приводит к потере информации. Чем сложнее схема, тем критичнее потери.
В отличие от алюминия, тантал почти не вступает в реакции с кислотами и агрессивными средами, благодаря чему чипы могут подвергаться агрессивным методам обработки – с их поверхности удаляют атомарные загрязнения и оксиды, ограничивающие качество кубитов. У тантала естественный оксид содержит гораздо меньше дефектов, чем у алюминия, а значит, квантовая информация сохраняется дольше. В мировой практике лучшие кубиты сделаны именно на основе тантала: время когерентности достигло 1,68 миллисекунды (Принстонский университет, Nature 2025), что в несколько раз превосходит показатели алюминиевых аналогов. Переход с алюминия на тантал – один из потенциальных путей создания отказоустойчивых квантовых вычислителей.
В Квантум Парке разработали технологию изготовления квантовых чипов на основе высокочистого альфа-тантала. Главная сложность состояла в том, что тантал – «капризный» металл: его плёнки растут в двух фазах (бета и альфа), и долгое время механизм формирования нужной альфа-фазы на кремниевых подложках был не ясен.
СЭМ-снимки чипа с резонаторами на основе танталаРоссийские учёные и инженеры выявили механизм самопроизвольного перехода тантала из метастабильной бета-фазы в требуемую для сверхпроводниковых схем альфа-фазу непосредственно на этапе роста плёнки.
«При разработке технологии мы провели более 1000 экспериментов, и эти результаты помогли нам выдвинуть гипотезу механизма фазовой селекции, объясняющую формирование альфа- и бета-тантала», – объясняет разработчик технологии, старший научный сотрудник Квантум Парка Евгений Зикий. – «Используя методы просвечивающей микроскопии с атомарным разрешением, мы проанализировали морфологию десятков серийно изготовленных пластин и отследили субнанометровые структурные особенности альфа-тантала на кремнии – их просто невозможно увидеть «обычными» приборами. В ходе кропотливой исследовательской работы разобрались в природе этих мельчайших структур и изучили зарождение плёнок при толщинах в несколько десятков атомарных слоёв».
Добротность резонаторов – главный «тест-драйв» технологии сверхпроводниковых интегральных схем для квантовых приложений. Она показывает, сколько времени система может хранить квантовое состояние: чем выше добротность, тем дольше живёт кубит и тем надёжнее работают квантовые алгоритмы. У танталовых резонаторов, сделанных в Квантум Парке, добротность достигает 10 миллионов в однофотонном режиме. Это значит, что один микроволновый фотон успевает «пробежать» внутри резонатора десятки миллионов раз (порядка 10 километров), прежде чем его энергия рассеется. И всё это за доли секунды.
Достигнутый показатель – в числе лучших в мире: подобные значения сегодня доступны только коллегам из Принстонского университета и бельгийского нанотехнологического центра imec.
«Новая для нас технология отработана на криогенных микроволновых резонаторах, и мы смогли более чем на порядок поднять добротность сверхпроводниковых интегральных схем. Начат самый сложный этап — внедрение в серийное производство. Первые поставки квантовых сопроцессоров на танталовой платформе законтрактованы уже на осень 2026 года», – подчеркнул руководитель кластера Квантум Парк Илья Родионов.
Исследования выполнены в рамках стратегического технологического проекта «Экзафлопсные гибридные вычисления (Bauman DeepTech)» программы «Приоритет-2030». Результаты опубликованы в авторитетном физическом журнале Applied Physics Reviews.