Коаксиальная, сверхпроводящая, своя

Еще один шаг к российскому квантовому компьютеру

Сверхпроводимость — свойство некоторых материалов при низких температурах утрачивать электрическое сопротивление и проводить ток без потерь. Это может быть полезно как для создания высоких магнитных полей (например, в токамаках), так и для сверхточной передачи сигнала в квантовых компьютерах. Одна из разработок ученых Бочваровского института — коаксиальная сверхпроводящая кабельная сборка, позволяющая преодолеть технологическую зависимость в этой области от зарубежных поставщиков. Об этой разработке «Вестнику атомпрома» рассказал заместитель директора отделения — начальник управления по разработке технологии сверхпроводящих материалов института Максим Алексеев.

Анатомия технологии

Основной профиль нашего научного отделения — низкотемпературные сверхпроводящие материалы, этой тематикой мы занимаемся уже не одно десятилетие. В настоящее время осваиваем технологию высокотемпературных сверхпроводников второго поколения. Накоплен большой опыт создания сверхпроводящих стрендов из ниобий-титана (NbTi), которые применяются в экспериментальных термоядерных установках, ускорителях частиц, медицинских томографах.

Сверхпроводящий ниобий-титановый сплав может быть использован в коаксиальных кабелях квантовых компьютеров. В криостате квантового компьютера такой коаксиальный кабель работает при температуре в несколько милликельвинов (около −273 °C).

В целом такой тип кабеля широко применяется для передачи высокочастотных сигналов. Самый известный в быту пример — антенный тв-кабель. Коаксиальный кабель состоит из центрального проводника в виде жилы, окруженной изолятором, и внешнего трубчатого проводника. Центральный проводник расположен вдоль геометрической оси внешнего трубчатого проводника, то есть соосно (коаксиально, от латинского термина coaxialis, означающего «имеющий общую ось»), отсюда и название. Центральный проводник обычно изготавливается из меди, алюминия, стали. Внешний проводник тоже обычно производится из меди — в виде плетеной сетки, фольги. Сверху внешний проводник покрывается диэлектриком, наружным слоем, который защищает все внутренние компоненты и обеспечивает механическую прочность провода.

Для создаваемых прототипов квантовых компьютеров востребованы специальные, очень тонкие и чувствительные коаксиальные кабели: с их помощью передается сигнал, свидетельствующий о сохранении или изменении состояния ключевых элементов таких компьютеров — сверхпроводящих кубитов.

Сверхпроводящие кубиты функционируют при температурах ниже температуры жидкого гелия. Кабель должен передавать сигнал с минимальными энергетическими потерями за счет сверхпроводящего материала. Но при этом материал проводника должен обладать низкой теплопроводностью. Такое сочетание свойств получить достаточно сложно. Например, высокочистая медь, которая используется для обычных коаксиальных кабелей, обладает низкими потерями при передаче сигнала, но имеет высокую теплопроводность (не случайно медь широко используют для отвода тепла). В составе квантового компьютера это неизбежно даст отрицательный эффект, поскольку даже незначительная передача тепла по кабелю приводит к негативному воздействию на сверхпроводящий кубит.

Но решение для квантовых компьютеров было найдено — это коаксиальный кабель с центральным и внешним проводником из сверхпроводящего ниобий-титанового сплава, который наряду с низкими потерями имеет низкую теплопроводность. В мире изготовление таких изделий освоили очень ограниченное количество предприятий. Наиболее успешной является японская компания, поставляющая такие коаксиальные кабели по всему миру. В том числе коаксиальные кабели производства этой компании используются в российских прототипах квантовых компьютеров.

Мы посчитали интересным и перспективным взяться за разработку такого наукоемкого изделия. К тому же ниобий-титановый сплав был нам хорошо знаком по сверхпроводниковой тематике. В результате мы подали заявку и в 2021 году через Единый отраслевой тематический план (ЕОТП) госкорпорации «Росатом» начали НИОКР по освоению перспективной технологии. Вскоре ее актуальность стала еще более очевидной: после 2022 года кабель иностранного производства стал малодоступен для российских специалистов, занимающихся квантовыми компьютерами. Поскольку работы по квантовой тематике в России ведутся активно, наши коллеги-квантовики остро нуждаются в этом компоненте.

Первые три года в рамках ЕОТП с ЧУ «Наука и инновации» мы разрабатывали технологию изготовления непосредственно коаксиального кабеля двух типоразмеров. С 2024 года заказчиком стало АО «ТВЭЛ», которое поставило задачу разработать конечное изделие, то есть коаксиальную кабельную сборку, которая представляет собой отрезок коаксиального кабеля необходимой длины (обычно до полуметра), оснащенный с обеих сторон соединителями или коннекторами, при помощи которых сборка надежно подключается к элементам квантового компьютера.

Спектр задач и решений

Ранее при разработке сверхпроводников мы, как правило, выполняли договоры на НИОКР, в которых сами являлись автором и разработчиком конечного изделия по договору, в том числе при масштабировании технологии на производственном предприятии.

Но в данной работе разработкой конструкции и технологии конечного изделия (сверхпроводящей коаксиальной кабельной сборки) занималась внеотраслевая компания — Особое конструкторское бюро кабельной промышленности (АО «ОКБ КП»). Подобные изделия относятся к области радиотехники и СВЧ, что не входит в компетенции предприятий госкорпорации «Росатом». Несмотря на это, наш институт являлся головным исполнителем и нес ответственность за результат перед заказчиком (сначала ЧУ «Наука и инновации», затем АО «ТВЭЛ»).

Непосредственно бочваровцами проводились разработка и изготовление ключевых элементов коаксиального кабеля — центральной жилы (центральный проводник) и капиллярной трубки (внешний проводник). Материал для обоих компонентов — сверхпроводящий ниобий-титановый сплав. Было необходимо освоить два типоразмера жилы и два типоразмера капиллярной трубки.

Несмотря на наш многолетний опыт работы с этим сплавом, возникли трудности при разработке технологии получения этих изделий: чтобы снизить затухание сигнала в коаксиальном кабеле, жила и капиллярная трубка, кроме требуемой геометрии, должны иметь максимально высокое качество поверхности. При этом капиллярная трубка предполагает наличие высокого качества именно внутренней поверхности.

Опыта изготовления капиллярных трубок такого размера из сплава NbTi на момент начала работы у ученых Бочваровского института не было. Имеющийся парк оборудования позволял получать трубки минимальным диаметром 8 мм. Поэтому за деформированием трубки из NbTi до конечных диаметров пришлось обратиться в стороннюю организацию. С этой задачей при активном участии наших ученых-технологов справилось нижегородское предприятие АО «МИЗ-Ворсма», которое специализируется на производстве медицинских игл. Однако эти иглы изготавливаются из стали, которая по физико-механическим свойствам сильно отличается от сплава ниобий-титан. Поэтому нашим специалистам совместно с заводчанами пришлось решить серьезный спектр научно-технологических задач, прежде чем удалось получить капиллярные трубки с требуемыми геометрией и качеством внутренней поверхности. Аналогов данной продукции в настоящее время в России не существует. Разработка технологии получения капиллярных трубок из NbTi является предметом нашей общей гордости.

При разработке технологии получения центральной жилы в виде ниобий-титановой проволоки с высоким качеством поверхности специалистами института Бочвара было опробовано и применено множество различных технологических усовершенствований, связанных с подбором эффективной смазки, разработкой режимов деформации, внедрением ультразвуковой очистки в специальных моющих растворах.

Итак, за изготовление непосредственно коаксиального кабеля отвечал контрагент института Бочвара — АО «ОКБ КП». Предприятие обладает богатым опытом (кабели для ракетно-космической отрасли, атомного судостроения и др.) и является одним из флагманов кабельной промышленности России. Мы передавали им проволоку и капиллярные трубки из NbTi. Специалисты АО «ОКБ КП» наносили на проволоку слой диэлектрика (изоляции), устойчивого при криогенной температуре, а затем затягивали изолированную проволоку в капиллярную трубку. В итоге после нескольких дополнительных операций получался коаксиальный кабель. Хочется отметить очень хороший сформировавшийся климат взаимодействия специалистов нашего института с представителями контрагентов.

Надежность соединения

После получения кабеля предстояло разработать, изготовить и испытать конечное изделие — коаксиальную кабельную сборку. Кабельная сборка представляет собой отрезок кабеля с прикрепленными с обеих сторон соединителями (коннекторами).

Известные мировые производители в качестве соединителей используют коммерчески доступные коннекторы из бериллиевой бронзы. Для изготовления кабельных сборок они присоединяют коннекторы к кабелю при помощи пайки. Поскольку рабочей температурой коаксиального кабеля в криостате квантового компьютера являются милликельвины, то при помещении кабеля в криостат из комнатной температуры он испытывает перепад в 300 градусов. В месте соединения материалы кабельной сборки имеют различные коэффициенты температурного расширения (сплав NbTi, бериллиевая бронза, припой), при таких сильных перепадах температуры в местах паяного соединения образуются трещины, и, как следствие, возрастает затухание сигнала.

Чтобы справиться с этой проблемой, было принято решение разработать свои уникальные отечественные соединители, исключающие возможность трещинообразования при термоциклировании (от комнатной температуры до температуры жидкого гелия), с использованием удобного механического соединения вместо трудоемкой пайки. Такие соединители были разработаны. В АО «ОКБ КП» изготовили опытную партию коаксиальных кабельных сборок четырех типов: двух типоразмеров с нашими коннекторами и двух типоразмеров с покупными коннекторами. По результатам проведенных приемочных испытаний все типы кабельных сборок достигли требуемых по техническому заданию параметров, в том числе величины затухания при температуре 4 К вплоть до частоты 20 ГГц. Однако в процессе термоциклирования (охлаждения от комнатной температуры до температуры жидкого гелия) после 10 циклов у кабельных сборок с припаянными покупными соединителями наблюдалось возрастание величины затухания, то есть происходило ухудшение ключевой эксплуатационной характеристики. При этом после 10 термоциклов величина затухания в сборках с нашими новыми соединителями оставалась неизменной, то есть ухудшения свойств не происходило. Таким образом, была подтверждена правильность выбранного технологического решения по разработке нового отечественного коннектора для сверхпроводящих коаксиальных кабелей. Более того, данная разработка обеспечивает возможность достаточно оперативного присоединения коннектора к кабелю при помощи обычного динамометрического ключа. Это исключает трудоемкие операции по нанесению гальванического слоя меди и последующей пайки, которые необходимо проводить при монтаже коммерчески доступных соединителей из бериллиевой бронзы.

Нужно отметить, что по результатам выполнения НИОКР получено три РИД, опубликована научная статья.

По нашему приглашению в приемочных испытаниях принял участие представитель лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ. По итогам испытаний была дана положительная оценка полученным результатам и примененным техническим решениям.

Следующим важным шагом для нашей команды являются реальные испытания разработанных коаксиальных кабельных сборок в криостате сверхпроводящего квантового компьютера. В первую очередь такие испытания планируется провести на квантовых компьютерах МФТИ и ООО «СП «Квант».

Перспективы спроса и масштабирования

У разработанных нами сверхпроводящих коаксиальных кабельных сборок есть хорошие перспективы для коммерциализации. Создание сверхпроводящих квантовых компьютеров идет по всему миру. Очевидно, что сейчас спрос на такие изделия формируют научные лаборатории, занимающиеся квантовыми вычислениями, но со временем будет появляться рынок квантовых компьютеров и комплектующих к ним. При этом такие кабельные сборки могут быть востребованы и в других устройствах, где в условиях криогенных температур важны низкие энергетические потери при передаче сигнала и низкая теплопроводность.

Сложившаяся в процессе реализации НИОКР кооперация нескольких предприятий позволяет осуществлять выпуск сверхпроводящего коаксиального кабеля двух типоразмеров до 500 м в год. На настоящий момент такой производительности более чем достаточно, чтобы покрыть нужды российских лабораторий квантовых вычислений. При этом в рамках выполненной НИОКР уже изготовлено 200 м кабеля двух типоразмеров.

Дополнительным положительным результатом выполненной НИОКР стала заинтересованность со стороны ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск) в изготовлении нашим институтом капиллярных трубок, близких по размерам к тем, которые были разработаны для коаксиальных кабелей. Такие трубки ИЯФ СО РАН планирует использовать для создания низкоомных контактов между сверхпроводящими катушками в вигглерах и ондуляторах синхротронов.