Квантовые компьютеры – одна из самых интересных технологий современности, но их разработка, тестирование и производство требуют беспрецедентной осторожности, чтобы не допустить повреждения их компонентов. Полупроводники очень чувствительны, поэтому для их производства требуются условия с минимальным риском загрязнения. Стандартным решением в этой области являются чистые комнаты, но при разработке квантовых компьютеров даже они должны соответствовать более высоким стандартам.
Хотя оборудование чистой комнаты по своей сути является дорогостоящим и трудоемким процессом, эти затраты могут быть минимальными по сравнению с потенциалом квантовых технологий. Недавно квантовый чип от Google смог всего за пять минут выполнить расчет, на который классическому суперкомпьютеру потребовалось бы около 10 септиллионов лет.
Такой огромный прогресс в обработке данных стал возможен благодаря тому, что в квантовых компьютерах вместо битов используются кубиты. В то время как бит представляет либо единицу, либо ноль, кубиты могут быть одновременно и тем, и другим – казалось бы, небольшое различие, оказывающее существенное влияние на скорость и мощность вычислений. Однако сверхпроводники и другие компоненты, необходимые для реализации этого процесса, очень чувствительны к внешним воздействиям.
Для достижения желаемых характеристик многие передовые квантовые инновации опираются на нанотехнологии. Наноматериалы обладают превосходной термостабильностью и электропроводностью, что делает их идеальными для таких мощных приложений, как квантовые вычисления. Они также позволяют инженерам-электронщикам размещать больше компонентов в ограниченном пространстве, чтобы соблюсти закон Мура.
Какими бы полезными ни были такие технологии, работа с ними в обычных условиях создает проблемы. Учитывая их размеры, наноматериалы легко загрязняются и разрушаются. Интенсивность квантовых операций усугубляет эту чувствительность. Даже незначительные отклонения в температуре, освещенности и качестве воздуха могут поставить под угрозу работу этого сложного и дорогостоящего оборудования.
Взгляд изнутри на квантовую чистую комнату
Решением являются квантовые чистые помещения. Передовые устройства будущего инженеры должны проектировать и создавать на не менее передовых производственных объектах. Даже обычные чистые комнаты могут быть слишком подвержены влиянию загрязнений и изменчивости окружающей среды, чтобы поддерживать разработку квантовых компьютеров.
Наиболее распространенными классами чистоты помещений [1] сегодня являются ISO 7 и 8, которые допускают концентрации 352,000 и 3.52 миллионов частиц размером 0.5 микрона в одном кубическом метре, соответственно. Эти стандарты также не учитывают содержание твердых частиц размером менее 0.5 микрона. Если для традиционной полупроводниковой техники этого достаточно, то создатели квантовых чистых комнат должны идти дальше.
Необходимы помещения с рейтингом ISO 6 и выше, которые ограничивают содержание частиц размером менее 0.5 микрон.
Чистые помещения для квантовых разработок также нуждаются в соблюдении различных санитарных мер. Исследователи из лаборатории Беркли недавно обнаружили, что более бережная очистка компонентов приводит к увеличению индуктивности на 87% [2], что делает их более устойчивыми к электрическим помехам. В рассматриваемом методе для минимизации опасности для окружающей среды использовались более низкие температуры, вакуум и подвешенные компоненты.
В квантовой чистой комнате внимания требуют даже освещение и температура окружающей среды. Многие из этих компонентов фоточувствительны к синему свету, поэтому верхнее освещение должно быть смещено в более теплую область спектра. Квантовые схемы также, как правило, чувствительны к температуре, поэтому в этих чистых комнатах должны использоваться щадящие методы охлаждения, чтобы поддерживать в них холод.
Инженерам квантовой электроники придется привыкнуть к чистым помещениям
По мере развития квантовых технологий инженерам-разработчикам электроники, возможно, придется адаптироваться к ним. Специалисты, разрабатывающие, тестирующие и производящие самую передовую электронику завтрашнего дня, должны научиться работать в условиях уникальных производственных требований. Привыкание к квантовой чистой комнате – важный шаг в подготовке к следующему поколению вычислений.
