Помню свои первые эксперименты с резонаторами в университетской лаборатории. Тогда добротность Q в несколько тысяч казалась отличным результатом. Сегодня же, работая с темой сверхпроводящих структур, вижу цифры, которые пять лет назад считались фантастикой: 10^11 для трёхмерных ниобиевых полостей, 9,91 × 10^7 для спиральных резонаторов на нитриде титана, стабильные 2 миллиона в промышленном производстве. Эти числа не просто технические показатели. За ними стоят два направления, которые могут переопределить технологическое лидерство стран в ближайшее десятилетие: квантовые вычисления и системы пассивной радиолокации.
Что объединяет квантовый компьютер, охлаждённый почти до абсолютного нуля, и радар, способный обнаруживать невидимые истребители без собственного излучения? Ответ лежит в физике сверхпроводящих резонаторов и их способности хранить энергию с минимальными потерями. Давайте разберёмся, почему добротность стала ключевым параметром для двух столь разных технологий и как учёные научились выжимать из материалов предельные характеристики.
Добротность как мера совершенства
Начну с простого объяснения. Q-фактор (добротность) показывает, сколько периодов колебаний резонатор может поддерживать без существенной потери энергии. Формула проста: Q = 2π × (энергия в резонаторе) / (потери за один цикл). В обычных медных структурах на частоте 5 ГГц Q редко превышает 10 000. Сверхпроводники меняют правила игры.
При температуре ниже критической (для ниобия это 9,2 К) электрическое сопротивление падает практически до нуля. Поверхностное сопротивление Rs снижается до 10^-9 Ом. Это на девять порядков лучше меди! Результат? Ниобиевый резонатор на частоте 1,3 ГГц при температуре 1,8 К может иметь Q до 4 × 10^11. В российском НОЦ ФМН качество резонаторов улучшили в 100 раз, достигнув добротности более 2 миллионов, что соответствует мировым рекордам.
Даже в сверхпроводниках есть источники потерь: двухуровневые системы (TLS) в оксидных слоях и на границах раздела, диэлектрические потери в подложках, радиационные потери из-за неоптимальной геометрии, потери в контактах и линиях связи. Борьба с каждым из этих факторов требует комплексного подхода.
Материальная база: от ниобия к тесс
ерактам
Десятилетиями ниобий был безальтернативным выбором для сверхпроводящих систем. Но в 2024-2025 годах произошёл сдвиг. Группа исследователей из Принстона показала, что тантал превосходит ниобий по ключевым параметрам. Оксидный слой пентаоксида тантала (Ta2O5) содержит значительно меньше TLS-дефектов, чем Nb2O5. Результат впечатляет: танталовые кубиты на высокочистом кремнии сохраняют когерентность более миллисекунды, что в три раза лучше предыдущих рекордов.
Если заменить алюминий на тантал в промышленных квантовых процессорах, производительность системы может вырасти в тысячу раз. А при увеличении числа кубитов эффект становится экспоненциальным. Теоретический компьютер на 1000 кубитов может стать в миллиард раз эффективнее существующих образцов. Поэтому выбор материала сейчас критичен: тантал с минимальным количеством дефектов и высокочистый кремний вместо традиционного сапфира.
Нитрид титана (TiN) и нитрид ниобия-титана (NbTiN) открывают новые возможности. В 2025 году опубликована работа о спиральных резонаторах из эпитаксиального TiN на кремнии. Внутренняя добротность достигла 9,6 × 10^6 при уровне одиночных фотонов и 9,91 × 10^7 на высоких мощностях. Это более чем вдвое превышает показатели копланарных волноводов (CPW) на том же чипе. Секрет в геометрии: спиральная форма (архимедова спираль) снижает surface participation ratio, уменьшая взаимодействие электромагнитного поля с проблемными интерфейсами.
Канадские физики пошли ещё дальше, предложив кодировать информацию с помощью тессерактов (четырёхмерных гиперкубов) в специально устроенных резонаторах внутри алюминиевых сверхпроводящих цепочек. Каждый такой резонатор представляет собой полноценный логический кубит. Система на 1000 кубитов займёт всего 20 квадратных метров, а задачу, которую мощнейший суперкомпьютер решает за девять дней, квантовая машина выполнит за час.
Российские прорывы в масштабировании
Осенью 2025 года российские учёные из МИСИС, МГУ, Российского квантового центра и парижской Высшей школы промышленной физики и химии представили технологию flip-chip для сверхпроводниковых гибридных процессоров. Это решает одну из ключевых проблем: как надёжно соединить квантовые и классические чипы при температурах около 20 милликельвинов.
Технология позволяет размещать чипы друг над другом, соединяя их миниатюрными сверхпроводящими столбиками из индия с многослойным металлическим фундаментом (Al/Ti/Pt/In). Измеренные характеристики резонаторов совпали с теоретическими расчётами. При совпадении частот резонаторов можно полностью передавать неклассические квантовые состояния с одного чипа на другой, что критично для построения квантовых сетей.
Вспоминаю слова одного из разработчиков: "Мы подтвердили стабильную работу всех типов связи при сверхнизких температурах, не нарушая хрупкие квантовые состояния". Это не просто инженерное достижение. Это путь к масштабированию квантовых систем до тысяч кубитов. Согласно дорожной карте Минцифры РФ, к 2030 году планируется увеличить число кубитов в российских квантовых процессорах с 50 до 300.
Геометрия имеет значение: от планарных структур к трёхмерным полостям
Долгое время планарные резонаторы доминировали в квантовой электронике. Их легко изготавливать методами фотолитографии, они компактны, хорошо интегрируются с кубитами. Но есть предел. Планарная геометрия означает, что электромагнитное поле неизбежно взаимодействует с подложкой, интерфейсами, диэлектриками. Даже при добротности 10^6 это ограничивает время когерентности.
Трёхмерные резонаторы (3D SRF-полости) из ниобия решают эту проблему радикально. Электромагнитное поле сосредоточено в объёме полости, практически не касаясь стенок. При частотах 1-3 ГГц и температуре ниже 20 мК достигается Q больше 4 × 10^11. Это соответствует времени жизни фотона около двух секунд! На два-три порядка лучше типичных планарных структур.
Такие полости используются для квантовой памяти в архитектуре circuit QED. Возьмём пример: 3D реентрантный резонатор с Q выше 10^8 позволяет фильтровать Purcell-эффект (расслабление кубита через резонатор), достигая точности измерения (fidelity) 98,6% при времени считывания всего 1 микросекунду. Для системы из четырёх кубитов dephasing составляет менее 0,15 килогерца.
Однако 3D-полости занимают много места, сложны в изготовлении и интеграции. Поэтому идёт поиск компромиссов. Российские учёные из МФТИ разработали компактные резонаторы размером 200×200 микрометров для сверхпроводящих чипов. Они в 10-20 раз меньше стандартных, при этом обеспечивают Q около 10^7. Это открывает путь к более плотной упаковке компонентов.
Настраиваемые резонаторы: гибкость без потери качества
Одно из самых интересных направлений последних лет - тюнируемые сверхпроводящие резонаторы. Классические резонаторы работают на фиксированной частоте. Для сложных квантовых алгоритмов нужна гибкость: возможность быстро перестраивать резонанс, подключать и отключать кубиты, управлять межкубитными взаимодействиями.
В 2024 году продемонстрированы планарные NbN-резонаторы в конфигурации "вилка" (tuning-fork) с возможностью перестройки частоты на 180 МГц за 20 наносекунд. При этом внутренний Q остаётся выше 180 000. Секрет в кинетической индуктивности: изменяя ток через сверхпроводник, можно управлять его индуктивностью и, соответственно, резонансной частотой.
Ещё один подход - интеграция SQUID (сверхпроводящих квантовых интерферометров) в конструкцию резонатора. Это позволяет настраивать частоту магнитным полем. Такие резонаторы устойчивы к полям до 0,5 тесла, что раньше казалось невозможным для сверхпроводящих систем. Важно для работы с гибридными системами, где нужны магнитные поля для управления спинами.
Промышленное производство: от лаборатории к фабрике
Лабораторные рекорды впечатляют, но реальная ценность технологии проявляется при масштабировании. Здесь критичны воспроизводимость, выход годных, интеграция с существующими процессами. Хорошая новость: промышленные линии на 200-миллиметровых пластинах уже демонстрируют стабильное производство ниобиевых и танталовых резонаторов с внутренней добротностью выше 10^6.
Ключевые технологии: двухслойная сверхпроводящая металлизация (Nb или Ta), воздушные мосты (air bridges) для минимизации диэлектрических потерь, техника траншей (deep trenching) для вытравливания подложки в критических областях, прецизионный контроль морфологии плёнки и чистоты поверхности. Выход годных приближается к 100 процентам. Это означает, что технология созревает.
Возьмём конкретный пример. В промышленном fab (Intel/IMS Nanofabrication) с использованием Nb/Ta технологии получены резонаторы с Q больше 10^6 в режиме одиночных фотонов на 200-миллиметровых пластинах. Интегрированы airbridges, обеспечивающие почти идеальное короткое замыкание для СВЧ-тока в точках подключения линий управления. Это решает проблему "утечки" энергии по контактам.
Квантовые вычисления: время - деньги, когерентность - всё
В квантовых компьютерах время когерентности определяет, сколько операций можно выполнить, прежде чем квантовое состояние разрушится. Каждая дополнительная микросекунда когерентности означает десятки дополнительных квантовых вентилей, возможность реализовать более сложные алгоритмы. А добротность резонатора напрямую задаёт время жизни квантового состояния.
Резонаторы в circuit QED выполняют несколько функций: считывание состояния кубитов (dispersive readout), хранение квантовой информации (quantum memory), связь между кубитами (quantum bus), генерация микроволновых пульсов. Высокий Q критичен для всех этих задач. Низкие потери означают меньше шума, более точное измерение, лучшую передачу состояния.
Новая архитектура от исследователей позволяет "развязывать/привязывать" кубит к резонатору по запросу. Это увеличивает время хранения квантовой информации, защищая её от шума, когда активные операции не выполняются. Измерения показывают, что разработанные квантовые биты способны сохранять информацию без существенных потерь на протяжении как минимум 32 циклов коррекции ошибок.
Российский квантовый центр совместно с компаниями разрабатывает криогенные системы управления для масштабирования до 1000+ кубитов. Здесь Q резонаторов выше 10^8 необходим для минимизации тепловыделения и шумов. В России созданы сверхпроводящие кубиты с Q около 10^6, интегрированные в 50-кубитный процессор. Это уровень, конкурентный с мировыми разработками.
Пассивная радиолокация: видеть не излучая
Теперь перейдём ко второй области применения. Пассивная радиолокация работает без собственного передатчика. Система "слушает" отражения сигналов от сторонних источников: FM-радио, цифровое телевидение (DVB-T), сотовые базовые станции, навигационные системы. Преимущества очевидны: полная скрытность (систему невозможно обнаружить по излучению), низкая стоимость (не нужен мощный передатчик), возможность использовать множество источников подсветки одновременно.
Но есть фундаментальная проблема. Прямой сигнал от источника (например, телевышки) может быть в миллион раз мощнее отражённого от цели. Это как пытаться услышать шёпот рядом с работающим двигателем самолёта. Обычные фильтры не справляются: либо слишком широкая полоса (и помехи проходят вместе с сигналом), либо высокие потери (и слабое эхо становится совсем неразличимым).
Сверхпроводниковые фильтры на высокотемпературных сверхпроводниках (YBCO, YBa2Cu3O7-x) решают эту задачу элегантно. Они работают при температуре жидкого азота (77 К), что технологически проще милликельвинов квантовых систем. Добротность резонатора при 77 К составляет около 4000-50000, что в 40-500 раз выше медных аналогов. Недавно реализован 11-звеньевой полосовой фильтр для S-диапазона с вносимыми потерями около -0,1 дБ и подавлением более -80 дБ.
Что даёт такая характеристика? Представьте фильтр с частотной характеристикой в виде почти прямоугольника: нужная полоса проходит без потерь, всё остальное подавляется в десятки тысяч раз. Интеграция с низкошумящим усилителем повышает чувствительность приёмника на 3-4 децибела. Это увеличивает дальность обнаружения радара примерно на 20 процентов. В критических приложениях такое преимущество может быть решающим.
Квантовые радары: следующий уровень
Развитие идёт дальше. Квантовые радары используют запутанные пары фотонов (EPR-пары) для обнаружения целей. Принцип quantum illumination: генерируются пары запутанных фотонов, один направляется к цели, второй сразу измеряется, информация хранится в памяти. Когда отражённый фотон возвращается, его корреляция с сохранённой информацией позволяет выделить слабейший сигнал на фоне мощных помех.
Для генерации запутанных фотонов используется сверхпроводящая система, охлаждённая почти до абсолютного нуля. Квантовый колебательный контур с джозефсоновским переходом (туннельной перемычкой в несколько атомов толщиной) генерирует пары фотонов в микроволновом диапазоне. Добротность резонаторов здесь должна быть максимальной, чтобы минимизировать шум и сохранить запутанность.
Китай официально приступил к серийному производству первого в мире четырёхканального детектора одиночных фотонов с ультранизким уровнем шумов. Устройство улавливает единичные фотоны, что делает его незаменимым для квантовой радиолокации. Благодаря способности обнаруживать отдельные фотоны, прибор может фиксировать даже малозаметные цели, включая истребители пятого поколения F-22 Raptor. Дальность обнаружения достигает 2000 километров против 400 у классических радаров.
Американские исследователи из NIST и RTX создали прототип квантового радара на атомах Ридберга. Вместо металлической антенны используется крошечное облако атомов цезия в стеклянной колбе. В тестах система определила положение объектов на расстоянии до 5 метров с точностью до 4,7 сантиметра. Технология перспективна для подповерхностной съёмки, поиска коммуникаций, археологических раскопок.
Вызовы и ограничения
Не всё так радужно. Сверхпроводящие системы требуют глубокого охлаждения. Для квантовых компьютеров нужны температуры 10-20 милликельвинов. Это достигается дилюционными холодильниками, которые сложны, дороги, требуют регулярного обслуживания. Для радиолокации высокотемпературные сверхпроводники при 77 К - приемлемый компромисс (жидкий азот доступен), но всё равно это усложняет конструкцию.
Двухуровневые системы (TLS) остаются главной головной болью. Это дефекты в диэлектриках, оксидных слоях, на границах раздела материалов. Они поглощают энергию фотонов, создают шум, снижают добротность. Борются с TLS разными способами: высокотемпературными отжигами при 340-450 градусах Цельсия в вакууме (подавляют TLS в оксиде ниобия Nb2O5), химической обработкой поверхности (удаление загрязнений), выбором материалов (тантал лучше ниобия), геометрией (спирали минимизируют контакт с проблемными интерфейсами).
Магнитные поля тоже проблема. Даже остаточное магнитное поле Земли (около 50 микротесла) может захватываться в сверхпроводнике при охлаждении (trapped flux), создавая дополнительные потери. Решение - контролируемое охлаждение с магнитными градиентами, магнитные экраны, специальные материалы. Некоторые тюнируемые резонаторы демонстрируют устойчивость до 0,5 тесла, но это исключение.
Пересечение технологий
Любопытно наблюдать, как технологии из разных областей начинают пересекаться. Материалы, разработанные для квантовых процессоров (TiN, NbTiN, тантал), оказываются полезны для криогенных приёмников радаров. Методы фильтрации шумов, отточенные в радиолокации, применяются для защиты кубитов. Высокоимпедансные резонаторы с кинетической индуктивностью (первоначально для cQED с квантовыми точками) находят применение в сверхчувствительных детекторах.
Возьмём пример: наномеханические резонаторы из растянутого нитрида алюминия (AlN) достигли механической добротности более 10 миллионов. Это материал пьезоэлектрический, что позволяет эффективно связывать механические колебания с электрическими сигналами. Такие резонаторы могут стать мощной платформой для квантовых датчиков, преобразователей между оптическими и микроволновыми фотонами, элементов квантовых сетей.
Резонаторы комнатной температуры, которые также являются пьезоэлектриками, могут стать переломным моментом как с точки зрения производительности, так и стоимости. Пока большинство сверхпроводящих систем требуют криогенных температур, но работа над альтернативами идёт. Возможно, через 5-10 лет появятся гибридные системы, работающие при более доступных температурах.
Перспективы на десятилетие
К 2030 году ожидается создание fault-tolerant квантовых систем с добротностью резонаторов выше 10^9. Это позволит реализовать алгоритмы, недоступные современным машинам: точное моделирование молекул для разработки лекарств и материалов, оптимизация сложных логистических и финансовых задач, взлом современных криптографических протоколов (что потребует перехода на квантово-устойчивую криптографию).
В России, согласно планам Минцифры, число кубитов в квантовых процессорах вырастет с 50 в 2024 году до 300 к 2030-му. Это амбициозная, но реалистичная цель. Технологии масштабирования (flip-chip, 3D-интеграция, компактные резонаторы) отрабатываются. Качество резонаторов растёт: уже достигнут мировой уровень в 2+ миллиона.
Для радиолокации будущее тоже интересно. Квантовые радары переходят от прототипов к первым системам. Серийное производство детекторов одиночных фотонов в Китае, прототипы на атомах Ридберга в США, работы по квантовой иллюминации в Канаде и Европе. Преимущества квантовых систем - около 6 децибел по сравнению с классическими - могут стать решающими для обнаружения малозаметных целей.
Россия работает над импортозамещением в области активных фазированных антенных решёток (АФАР) для спутников связи с добротностью резонаторных элементов выше 10^7. Интеграция сверхпроводящих фильтров в такие системы может существенно повысить их чувствительность и помехозащищённость. Минобрнауки выделило 300 миллионов рублей на развитие квантовой электроники, включая создание приёмных элементов для космической обсерватории "Миллиметрон".
Технология сверхпроводниковых резонаторов стоит на переднем крае науки и техники. Каждый процент добавленной добротности, каждый новый материал, каждая оптимизированная геометрия - это шаг к устройствам, которые ещё недавно существовали только в теории. Квантовые компьютеры и пассивные радары - первые ласточки. Впереди квантовые сети связи, сверхчувствительные датчики для медицины и геологоразведки, системы точного времени и навигации нового поколения. Миллисекунда когерентности сегодня может стать технологическим прорывом завтра.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube