КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 24-79-00225
НазваниеРазработка функциональных прозрачных проводящих материалов для создания квантовых процессоров на базе поверхностных ионных ловушек
РуководительЩербинин Дмитрий Павлович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2024 - 06.2026 |
Конкурс№97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов
Ключевые словапрозрачные электроды, тонкие пленки, нанокомпозитные материалы, прозрачные проводящие оксиды, поверхностные электродинамические ловушки, характеризация материалов
Код ГРНТИ29.19.16
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Одним из наиболее перспективных направлений науки и техники в области перехода к передовым цифровым технологиям, созданию систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта является развитие новых квантовых технологий и квантовых вычислений. На сегодняшний день для реализации квантовых вычислений используют различные физические платформы, в том числе на базе цепочек ионов и нейтральных атомов, локализованных в радиочастотных электродинамических и дипольных ловушках; на квантовых вихрях в сверхпроводящих материалах; на фотонных схемах. Для реализации квантовых вычислений одной из наиболее перспективных платформ является архитектура, основанная на цепочках ионов-кубитов локализованных в поверхностных электродинамических ловушках. Наличие общей колебательной моды позволяет эффективно перепутывать состояния ионов и подготавливать кубиты. При этом подготовка и считывание квантового бита осуществляется оптическими методами. Существующие электродинамические ловушки, позволяющие захватывать и удерживать цепочки ионов-кубитов, существенно ограничивают оптический доступ к объекту пленения и не позволяют эффективно собирать слабые оптические сигналы. Решением данной проблемы может стать применение прозрачных функциональных материалов для создания электродов ионных ловушек. При этом такие материалы должны обеспечивать высокую проводимость, высокую оптическую прозрачность в видимой области спектра, высокую термостойкость и электрическую прочность. Настоящий проект направлен на разработку новых проводящих функциональных материалов для создания новых полностью прозрачных квантовых процессоров на базе поверхностных ионных ловушках.
В работе предлагается разработка и исследование новых материалов, обеспечивающих как прозрачность в видимой области спектра и высокую проводимость, так и устойчивость к режимам работы поверхностных ионных ловушек при электропитании с параметрами в широком диапазоне частот и напряжений. Предлагается поиск решения на основе полупроводниковых материалов, таких как оксиды индия и олова. Проект предполагает отработку лабораторной технологии создания новых функциональных материалов, их всестороннюю характеризацию, анализ применимости в качестве электродов поверхностных ловушек и исследовательские испытания экспериментальных образцов ловушек исполненных с использованием предложенных материалов. Результаты проекта могут найти своё применение в производстве высокотехнологичного машиностроения, медицинского и лабораторного оборудования, и, безусловно, в сферах разработки новых архитектур для квантовых вычислений.
Необходимо отметить, что проект полностью соответствует направлению стратегии НТР РФ: “Н1 Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта” и тематике регионального конкурса “Разработка новых функциональных материалов, перспективных для применения микро и-оптоэлектронике, полупроводниковой технике, энергетике и машиностроении”.
Ожидаемые результаты
Главным результатом, который будет достигнут в результате выполнения проекта является отработка лабораторной технологии получения прозрачных тонкопленочных электродов на основе окислов индия и олова (ITO) c характеристиками подходящими для изготовления полностью прозрачных электродинамических ловушек. Будет отработана лабораторная технология вакуумного магнетронного напыления тонких пленок ITO путем распыления мишени индия и олова в кислород-аргонной плазме. Такой подход будет позволять варьировать оптические и электрические свойства тонкопленочных электродов в широком диапазоне за счет вариации условий напыления и постобработки - парциальных давлений кислорода и аргона в вакуумной камере, подводимой мощности, температуры подложки, скорости напыления, температуры постотжига.
Для дальнейшего использования тонкопленочных покрытий в качестве электродов полностью прозрачной ловушки, исследуемые структуры должны обладать следующими свойствами:
- оптическая прозрачность в УФ видимой и БИК области спектра. Для этого ширина запрещенной зоны должна быть не менее 3,5 эВ, а коэффициент пропускания не менее 80% в области спектра 400-1100 нм.
- для соблюдения геометрии распределения электрического потенциала в электродинамических ловушках, поверхностное сопротивление должно быть не более 200 Ом/квадрат по постоянному напряжению, а шероховатость RMS не более 30 нм
- устойчивостью при различных режимах питания электродов ловушки (с частотами в диапазоне от 50 Гц до 5 МГц и амплитудой до 3 кВ), устойчивостью при различных режимах питания электродов ловушки (с частотами в диапазоне от 50 Гц до 5 МГц и амплитудой до 3 кВ). Допустимыми отклонениями оптических и электрических характеристик испытуемых образцов является 5% по окончании тестирования (необратимые изменения) и 10% в процессе эксплуатации (обратимые изменения).
В ходе выполнения проекта будут достигнуты следующие конкретные результаты:
1. Впервые исследовано влияние процентного содержания атомов кислорода, индия и олова во внутренней структуре ITO на оптические свойства получаемых электродов электродинамической ловушки - ширину запрещенной зоны, определяющую коротковолновую границу области прозрачности; плазменную частоту, определяющую длинноволновую границу области прозрачности; спектральную зависимость прпопускания в области 400-100 нм; показатель преломления в области прозрачности
2. Впервые исследовано влияние процентного содержания атомов кислорода, индия и олова во внутренней структуре ITO на электрические свойства получаемых электродов электродинамической ловушки - поверхностную проводимость, термическую стойкость и электрическую прочность при различных режимах питания электродов ловушки в диапазонах частот 50Гц - 5 МГц и амплитуд до 2 кВ.
3. Впервые исследовано влияние внутренней структуры (степени кристалличности) ITO на оптические свойства получаемых электродов электродинамической ловушки - ширину запрещенной зоны, определяющую коротковолновую границу области прозрачности; плазменную частоту, определяющую длинноволновую границу области прозрачности; спектральную зависимость прпопускания в области 400-100 нм; показатель преломления в области прозрачности.
4. Впервые исследовано влияние внутренней структуры (степени кристалличности) ITO электрические свойства получаемых электродов электродинамической ловушки - поверхностную проводимость, термическую стойкость и электрическую прочность при различных режимах питания электродов ловушки в диапазонах частот 50Гц - 5 МГц и амплитуд до 2 кВ.
5. Впервые исследовано влияние процентного содержания атомов кислорода, индия и олова во внутренней структуре ITO и степени его кристалличности на морфологию поверхности электродов ловушки.
Научная значимость проекта определяется:
Полученные результаты будут обладать охраноспособностью и будут иметь широкое применение в области квантовых вычислений и квантовых технологий, оптоэлектроники, полупроводниковой техники. В результате выполнение проекта станет возможным создание оптически интегрируемых электродинамических ловушек, что может стать ключевым фактором развития квантовых технологий и коммуникаций. Так как подготовка и считывание состояния кубита в квантовых компьютерах на локализованных в ловушках объектов производится оптическими методами, снятие ограничений на направления распространения излучения и повышение эффективности сбора сигнала позволит модернизировать архитектуры квантовых вычислителей.
Общественная и социальная значимость проекта определяется:
1. Настоящий грант выполняется коллективом, под руководством молодого кандидата наук и двух аспирантов очной формы обучения. Таким образом выполнение проекта будет способствовать поддержанию и развитию молодых научных сотрудников, повышению квалификации научных кадров. Привлечение молодых и талантливых аспирантов несомненно является долгосрочной инвестицией в будущее Российской Федерации.
2. Коммерциализация результатов выполнение проекта будет способствовать созданию новых рабочих мест для молодых научных и научно-технических сотрудников Российской Федерации.
3. Полученные результаты могут быть положены в основу высокотехнологичного производства в рамках индустрии наносистем, что способствует поддержанию отрасли в условиях санкций недружественных государств и ухода с российского рынка западных компаний, а также установлению технологического суверенитета Российской Федерации.
4. Полученные результаты могут быть применены для разработки новых учебных курсов по специальностям и направлениям подготовки высшего образования, соответствующих приоритетным направлениям модернизации и технологического развития российской экономики, таких как "Фотоника и оптоинформатика", "Наноматериалы", "Нанотехнологии и микросистемная техника", что будет способствовать поддержанию высокого уровня и качества научно-технического образования на территории Российской Федерации.
5. Коллектив проекта планирует публикацию результатов выполнения проекта в ведущих международных научных изданиях, что способствует продвижению российской науки на международной арене, и закреплению высокого статуса Российской Федерации как крупнейшего научного мирового центра.
6. Коллектив проекта планирует публикацию результатов выполнения проекта в журналах издательства ФТИ им. А.Ф.Иоффе, находящегося на территории г. Санкт-Петербург. Публикации исследований высокого качества, содержащие передовые научные результаты в журналах издательства ФТИ им. А.Ф.Иоффе будут существенной поддержкой издательству в условиях судебной тяжбы и борьбе с недобросовестными партнерами, осуществивших рейдерский захват переводных версий статей.
7. Результаты выполнения проекта будут использованы для популяризации науки и научного знания среди широких кругов граждан Российской Федерации, в том числе подрастающего молодого поколения школьников с несформировавшейся системой ценностей, представителей медиапространства и лидеров мнений. Осознание высокого уровня отечественной науки несомненно будет способствовать развитию патриотических настроений среди активной молодежи а также повышению престижа фигуры российского ученого.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ