Os pesquisadores do Plasma Science and Fusion Middle criaram um circuito supercondutor que poderia um dia substituir os componentes semicondutores em sistemas de computação quântica e de alto desempenho.
Em 2023, cerca de 4,4 % (176 terawatt-horas) de consumo whole de energia nos Estados Unidos foi por information facilities que são essenciais para o processamento de grandes quantidades de informação. Desses 176 TWH, aproximadamente 100 TWH (57 %) foram usados por equipamentos de CPU e GPU. Os requisitos de energia aumentaram substancialmente na década passada e só continuarão a crescer, tornando o desenvolvimento da computação com eficiência energética essential.
Os eletrônicos supercondutores surgiram como uma alternativa promissora para a computação clássica e quântica, embora sua exploração completa para a computação sofisticada exija uma redução dramática na quantidade de fiação de vinculação eletrônica de temperatura ambiente e circuitos de supercondução de baixa temperatura. Para tornar os sistemas maiores e mais simplificados, a substituição de componentes comuns, como semicondutores por versões supercondutoras, pode ser de imenso valor. É um desafio que cativou MIT Science and Fusion Middle cientista de pesquisa sênior Jagadeesh Moodrera e seus colegas, que descreveram um avanço significativo em um recente Nature Electronics papel, “Diodos e retificadores supercondutores eficientes para circuitos quânticos. ”
Moodrera estava trabalhando em um problema teimoso. Um dos requisitos críticos de longa information é a necessidade da conversão eficiente das correntes CA em correntes CC em um chip enquanto opera nas temperaturas criogênicas extremamente frias necessárias para que os supercondutores funcionem com eficiência. Por exemplo, na supercondutora “circuitos rápidos de fluxo único de fluxo único de energia” (ERSFQ), o problema AC-DC está limitando a escalabilidade do ERSFQ e impedindo seu uso em circuitos maiores com complexidades mais altas. Para responder a essa necessidade, o Moodrera e sua equipe criaram retificadores supercondutores de diodo supercondutor (SD)-dispositivos que podem converter CA em DC no mesmo chip. Esses retificadores permitiriam a entrega eficiente da corrente CC necessária para operar processadores clássicos e quânticos supercondutores.
Os circuitos quânticos do computador podem operar apenas em temperaturas próximas a 0 kelvins (zero absoluto), e a maneira como a energia é fornecida deve ser cuidadosamente controlada para limitar os efeitos da interferência introduzida por muito calor ou ruído eletromagnético. O ruído e o calor mais indesejados vêm dos fios que conectam chips quânticos frios a eletrônicos de temperatura ambiente. Em vez disso, o uso de retificadores supercondutores para converter correntes CA em CC dentro de um ambiente criogênico reduz o número de fios, reduzindo o calor e o ruído e permitindo sistemas quânticos maiores e mais estáveis.
Em um experimento de 2023Moodrera e seus co-autores desenvolveram SDs feitos de camadas muito finas de materials supercondutor que exibem fluxo de corrente não recíprocal (ou unidirecional) e pode ser a contraparte supercondutora dos semicondutores padrão. Embora os SDs tenham atraído atenção significativa, especialmente desde 2020, até este ponto a pesquisa se concentrou apenas no SDS particular person para prova de conceito. O artigo de 2023 do grupo descreveu como eles criaram e refinaram um método pelo qual o SDS poderia ser dimensionado para aplicação mais ampla.
Agora, ao construir um circuito de ponte de diodos, eles demonstraram a integração bem-sucedida de quatro SDs e realizaram a retificação AC-DC em temperaturas criogênicas.
A nova abordagem descrita em seus recentes Nature Electronics O papel será reduzido significativamente no ruído térmico e eletromagnético que viaja do ambiente para o circuito criogênico, permitindo a operação mais limpa. Os SDs também podem servir como isoladores/circuladores, ajudando a isolar sinais de qubit da influência externa. A assimilação bem -sucedida de múltiplos SDs no primeiro circuito SD integrado representa um passo elementary para tornar a computação supercondutora de uma realidade comercial.
“Nosso trabalho abre as portas para a chegada de supercomputadores baseados em supercondutividade altamente eficientes em termos de energia nos próximos anos”, diz Moodrera. “Além disso, esperamos que nossa pesquisa aprimore a estabilidade do qubit enquanto aumenta o programa de computação quântica, aproximando sua realização”. Dados os múltiplos papéis benéficos que esses componentes poderiam desempenhar, Moodrera e sua equipe já estão trabalhando para a integração de tais dispositivos em circuitos lógicos supercondutores reais, inclusive em circuitos de detecção de matéria escura que são essenciais para a operação de experimentos em CERN e Lux-zeplin no laboratório nacional de Berkeley.
Este trabalho foi parcialmente financiado pelo Comitê de Conceitos Avançados do MIT Lincoln Laboratory, pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA, Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA e Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.
