admin-ftian (Page 12)

Авторы: Ю.И. Богданов, Н.А. Богданова, К.Г. Катамадзе, Г.В. Авосопянц, В.Ф. Лукичев

Анализ статистики фотонов квантовых состояний света является важнейшим инструментом, использующимся в оптических квантовых информационных технологиях для прецизионного контроля квантовых источников, каналов и детекторов. Для того, чтобы на основе ограниченного набора экспериментальных данных получить максимальную информацию о параметрах системы, необходимо разработать адекватную, полную и точную модель статистического распределения фотонов. В рамках этого направления в 2020 году было разработано две новых модели распределений по числу фотонов. Первая описывает статистику m-модовой подсистемы M-модового теплового состояния, при условии, что в нем было уничтожено K фотонов (см. рис.) [1]. Вторая модель определяет гиперпуассоновскую статистику и описывает число бозонов в заданной подсистеме конечномерной многоуровневой системы в условиях, когда полное число частиц является случайной величиной, имеющей распределение Пуассона. [2]. Было продемонстрировано, что обе модели можно эффективно использовать для восстановления параметров различных квантовых состояний света, квантовых каналов и квантовых детекторов.

1. K. G. Katamadze, G. V. Avosopiants, N. A. Bogdanova, Yu. I. Bogdanov, S. P. Kulik Multimode thermal states with multiphoton subtraction: study of the photons number distribution in the selected subsystem // Physical Review A. 101, 013811 (2020)
2. Yu. I. Bogdanov, N. A. Bogdanova, K. G. Katamadze, G. V. Avosopyants & V. F. Lukichev Hyper-Poisson Photon Statistics // JETP Letters volume 111, p. 543–548(2020)

Для развития новой элементной базы вычислительных архитектур в парадигме “In Memory Computing” исследована возможность создания пластин кремний-на-диэлектрике со сверхтонким скрытым ферроэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью (UTBOX) путем атомно-слоевого осаждения (ALD) композитных слоев HfO₂:Al, HfO₂:Zr на сапфировые и кремниевые подложки с последующим переносом монокристаллического приборного слоя кремния на их поверхность бондингом по технологии DeleCut и термообработки RTA. В структуре кремний на сегнетоэлектрике (SOF) впервые была обнаружена чрезвычайно высокая термическая стабильность сегнетоэлектрической фазы ромбического Pca2₁ оксида гафния до температуры 1100^oC. Проведены структурные измерения при помощи рентгеновской дифракции и подтвержден сегнетоэлектрический гистерезис в псевдо-MOSFET конфигурации. Структуры кремний – ферроэлектрический BOX – кремний (SFS) на основе оксида гафния и включениями оксида алюминия также демонстрируют повышенную термическую стабильность во время быстрых термических отжигов при температуре до 900°C, что делает их полностью совместимыми с текущей технологией CMOS и открывает перспективы создания оптоэлектронных и нейроморфных интегральных схем с проектными нормами до 22 нм на основе планарных транзисторов c двойным затвором DG FeFET, где активным ферроэлектриком является UTBOX.

1. V.P. Popov,  V.A. Antonov,  A.K. Gutakovskiy,  A.V. Miakonkikh,  K.V. Rudenko, Hafnia and alumina stacks as UTBOXs in silicon-on insulator // Solid-State Electronics, 2020, 168, 107734, 10.1016/j.sse.2019.107734
2. V.P. Popov, V.A. Antonov, F.V. Tikhonenko, S.M. Tarkov, A.K. Gutakovskii, I.E. Tyschenko, A.V. Miakonkikh, A.A. Lomov, A.E. Rogozhin, K.V. Rudenko, Robust Semiconductor-on-Ferroelectric Structures with Hafnia-Zirconia-Alumina UTBOX/ Stacks Compatible with the CMOS Technology // Applied Physics Letters (статья направлена 15 сентября 2020 г)

Авторы: И.В. Уваров, В.В. Наумов, О.М. Королева, Е.И. Ваганова, М.О. Изюмов, И.И.  Амиров

Разработан электромеханический переключатель микронных размеров. Изделие представляет собой подвижную металлическую балку, расположенную над управляющими и сигнальными электродами. Различные варианты исполнения представлены на рисунках. В переключателе использован электростатический принцип управления. Основным отличием изделия от известных МЭМС-переключателей является встроенный механизм активного размыкания, обеспечивающий защиту контактов от залипания. Ключ изготавливается по технологии микросистемной техники на пластинах кремния или арсенида галлия. Процесс изготовления совместим с технологией интегральных схем. Основные рабочие характеристики изделия представлены в таблице. Переключатель сочетает в себе достоинства традиционных электромеханических и полупроводниковых ключей, и поэтому рассматривается в качестве альтернативы этим изделиям в радиоэлектронных устройствах ВЧ- и СВЧ-диапазонов.

Рисунок – МЭМС-переключатель в различных конфигурациях

Таблица. Рабочие характеристики МЭМС-переключателя.

1. Уваров И.В., Марухин Н.В., Шлепаков П.С., Лукичев В.Ф. Микроэлектроника, 2020, Том 49, № 4, С. 271-280.
2. Uvarov I.V., Selyukov R.V., Naumov V.V. Microsystem Technologies, 2020, Vol. 26, P. 1971-1980.
3. Uvarov I.V., Marukhin N.V., Naumov V.V. Microsystem Technologies, 2019, Vol. 25, P. 4135-4141.
4. Uvarov I.V., Kupriyanov A.N. Microsystem Technologies, 2019, Vol. 25, P. 3243-3251.
5. Уваров И.В., Куприянов А.Н. Микроэлектроника, 2018, Том 47, № 5, С. 30-37.
6. Uvarov I.V., Naumov V.V., Koroleva O.M., Vaganova E.I., Amirov I.I. Proceedings of SPIE, 2016, Vol. 10224, 102241A.
7. Уваров И.В., Наумов В.В., Королева О.М., Ваганова Е.И., Амиров И.И. Нано- и микросистемная техника, 2016, Том 18, № 9, С. 582-588.

Авторы от ФТИАН им. К.А. Валиева РАН: А.В. Мяконьких, К.В. Руденко

Сегнетоэлектрический транзистор FeFET, в котором одновременно реализуются функции логики и памяти состояния, аналогично биологическим нейронам является кандидатом для организации эффективных нейроморфных вычислений и реализации нейронных сетей на новых принципах. Показана приборная структура и выходная характеристика двухзатворного FeFET, использующего захороненный сегнетоэлектрический слой с отдельным управляющим затвором.

В измерениях в режиме псевдо-FET изготовленные структуры SOF демонстрируют плотность ловушек              D_it < 10¹² см^-2 и сегнетоэлектрический гистерезис (окно памяти) MW ~ 1 В при коэрцитивных электрических полях < 10⁴ В/см.

1. State Electron., vol. 159, pp. 63-70, (2019).
2. EUROSOI-ULIS, Grenoble, France, 2019, pp. 1-4, doi: 10.1109/EUROSOI-ULIS45800.2019.9041896

Основные авторы разработки: Рудый А.С., Мироненко А.А., Наумов В.В.

Область применения: производство смарт-карт и RFID-меток

Разработана лабораторная технология изготовления полностью твердотельных тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов (ТТЛИА) электрохимической системы LiCoO2 – LiPON -Si@ O@ Al. Структура аккумулятора изображена на рис. 1. Аккумуляторы изготавливались методом магнетронного распыления на установке SCR 651 Tetra производства Alcatel. Испытания аккумуляторов проводились методом гальваностатического циклирования на установке АЗРИВК 0,05А-6В производства ООО

«АК Бустер» и гальваностате-потенциостате P-20×8. На рисунке 2 показан скол одного из промежуточных вариантов ТТЛИА и зарядно-разрядные кривые макета ТТЛИА.

По разработанной технологии в рамках договора ЯФ ФТИАН им. К.А. Валиева РАН с НИИТМ на выполнение НИР по теме: «Выбор электрохимической системы, разработка лабораторной технологии изготовления и изготовление макетных образцов твердотельного тонкоплёночного литий-ионного аккумулятора» от 2 сентября 2020 г. изготовлены макеты ТТЛИА (рис. 3) для RFID-меток.

Авторы: И.И. Амиров, В.В. Наумов

Разработана технология и изготовлен чувствительный элемент микродатчика направления звуковой волны (МДНЗВ), предназначенный для определения направления источника звука. Он применяется в промышленности, военных разработках, системах безопасности и других приложениях. Датчик изготовлен с использованием технологии микросистемной техники на основе процесса глубокого травления кремния. Основой чувствительного элемента микродатчика являются вывешенные платиновые нити толщиной менее 100 нм.

Разработаны конструкции чувствительного элемента МДНЗВ с двумя и тремя Pt нитями c расстояниями между ними 50, 100 и 150 мкм, длина нитей 1000 и 1400 мкм, в том числе совмещенных датчиков для определения направления звука по двум ортогональным направлениям. Изготовлены протипы датчиков МДНЗВ и измерены их статические характеристики.

Разработка проводилась в рамках договора с АО «НИИ «Вектор» (С-Петербург).

Предложена и детально исследована модель полномасштабного квантового регистра на основе регулярной  одномерной цепочки из изотопов с ядерными спинами I = 1/2, замещающих основные изотопы в тонкой пластине однодоменного безспинового антиферромагнетика с легкой осью анизотропии. Наличие неоднородности внешнего магнитного поля обеспечивает не только различие резонансных частот отдельных кубитов в квантовом регистре, но и возможность управления взаимодействием между удаленными спинами.

На рисунке представлена схема расположения электронных (S) и ядерных (I)  спинов в двухподрешеточной легкоосной антиферромагнитной пластине    до фазового перехода типа опрокидывания.

KokinA.A., KokinV.A. Antiferromagnet-basednuclearspinmodelofscalablequantumregisterwithinhomogeneousmagneticfield. // Quantum Computers & Computing, 2008, v.8, pp. 78-125.

Кокин А.А, Кокин В.А, О косвенном взаимодействии между ядерными спинами в легкоосном антиферромагнетике. // Теоретическая и математическая физика, 2011, том 168, № 3, стр. 467-481.

Основное препятствие на пути реализации концепции полномасштабных квантовых компьютеров – это декогерентизация квантовых состояний, обусловленная квантовыми шумами. С целью существенного повышения уровня исследований в рассматриваемой области совместно с Московским государственным университетом им. Ломоносова и Математическим институтом РАН им. В.А. Стеклова разработана новая методология оценивания качества и эффективности квантовых информационных технологий, основанная на анализе полноты, адекватности и точности реализации квантовых вентилей. Эффективность предложенного подхода была продемонстрирована  в работах с оптическими и сверхпроводниковыми кубитами.

На рисунке справа внизу представлена точность восстановления состояния Белла и GHZ- состояния в зависимости от числа кубитов. На остальных рисунках с помощью сферы Блоха иллюстрируется точность различных протоколов квантовой томографии.

Ю.И. Богданов. Унифицированный метод статистического восстановления квантовых состояний, основанный на процедуре очищения // ЖЭТФ. 2009. Т.135. Вып.6.с.1068-1078.

BogdanovYu.I., BridaG, GenoveseM., KulikS.P., MorevaE.V., andShurupovA.P.StatisticalEstimation of the Efficiency of Quantum State Tomography Protocols //  Phys. Rev. Lett. 2010. V.105. 010404. 4p.

Yu. I. Bogdanov, G. Brida, I. D. Bukeev, M. Genovese, K. S. Kravtsov, S. P. Kulik, E. V. Moreva, A. A. Soloviev, A. P. Shurupov Statistical Estimation of Quantum Tomography Protocols Quality// Phys. Rev. A. 2011. V.84. 042108.19 p.

Методы численного анализа и статистического моделирования с учётом влияния квантовых шумом, а также результатов экспериментальных и технологических исследований позволяют дать исчерпывающую оценку качеству и эффективности проектируемых квантовых регистров. Посредством обратной связи развитый подход позволяет наилучшим образом распорядиться имеющимися ресурсами для оптимизации процесса разработки квантовых информационных технологий.

На рисунке слева вверху иллюстрируется динамика квантовой системы в фазовом пространстве, справа вверху – разрушение сцепленности в квантовых операциях под действием шума, слева внизу –  визуализация хи-матрицы для вентиля CNOT под действием деполяризующего шума, справа внизу- восстановление квантового состояния в задаче исследования явления фотоупругости.

Ю.И. Богданов, В.Ф. Лукичёв, С.А. Нуянзин , А.А. Орликовский.  Квантовые шумы и контроль качества элементной базы квантовых компьютеров на сверхпроводниковых фазовых кубитах // Микроэлектроника. 2012. Т.41. №6. с.387-398.

Yu.I. Bogdanov, A.Yu. Chernyavskiy, A.S. Holevo, V.F. Luckichev, A.A. Orlikovsky.Modeling of quantum noise and the quality of hardware components of quantum computers// Proceedings of SPIE. 2013. V. 8700. Art. 87001A.

Yu. I. Bogdanov, A. A. Kalinkin, S. P. Kulik, E. V. Moreva, V. A. Shershulin. Quantum polarization transformations in anisotropic dispersive medium //  New Journal of Physics. 2013. V.15. 035012. 24 p