接近超導(dǎo)半導(dǎo)體

等離子體科學(xué)與聚變中心的研究人員創(chuàng)造了一種超導(dǎo)電路，有朝一日可以取代量子和高性能計算系統(tǒng)中的半導(dǎo)體元件。

2023 年，美國總能源消耗的約 4.4%（176 太瓦時）來自處理大量信息所必需的數(shù)據(jù)中心。在這 176 TWh 中，大約 100 TWh （57%） 用于 CPU 和 GPU 設(shè)備。能源需求在過去十年中大幅增加，并且只會繼續(xù)增長，這使得節(jié)能計算的開發(fā)變得至關(guān)重要。

超導(dǎo)電子學(xué)已成為經(jīng)典和量子計算的一種有前途的替代方案，盡管它們要充分用于高端計算，需要大幅減少連接環(huán)境溫度電子設(shè)備和低溫超導(dǎo)電路的布線量。為了制造更大、更精簡的系統(tǒng)，用超導(dǎo)版本取代半導(dǎo)體等常見組件可能具有巨大的價值。麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心高級研究科學(xué)家 Jagadeesh Moodera 和他的同事們都對這一挑戰(zhàn)著迷，他們在最近的一篇 Nature Electronics 論文“用于量子電路的高效超導(dǎo)二極管和整流器”中描述了一項重大突破。

穆德拉正在解決一個頑固的問題。長期存在的關(guān)鍵要求之一是需要在超導(dǎo)體高效工作所需的極冷低溫下工作，同時在芯片上將交流電流高效轉(zhuǎn)換為直流電流。例如，在超導(dǎo)“節(jié)能快速單磁通量量子”（ERSFQ） 電路中，AC-DC 問題限制了 ERSFQ 的可擴展性，并阻止了它們在具有更高復(fù)雜性的更大電路中使用。為了滿足這一需求，Moodera 和他的團隊創(chuàng)造了基于超導(dǎo)二極管 （SD） 的超導(dǎo)整流器，這些器件可以在同一芯片上將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。這些整流器將允許有效傳輸運行超導(dǎo)經(jīng)典和量子處理器所需的直流電流。

量子計算機電路只能在接近 0 開爾文（絕對零度）的溫度下運行，并且必須仔細(xì)控制供電方式，以限制過多熱量或電磁噪聲帶來的干擾影響。大多數(shù)不需要的噪聲和熱量來自將冷量子芯片連接到室溫電子設(shè)備的電線。相反，在低溫環(huán)境中使用超導(dǎo)整流器將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電可以減少導(dǎo)線數(shù)量，減少熱量和噪聲，并實現(xiàn)更大、更穩(wěn)定的量子系統(tǒng)。

在 2023 年的一項實驗中，Moodera 和他的合著者開發(fā)了由非常薄的超導(dǎo)材料層制成的 SD，這些超導(dǎo)材料顯示非互易（或單向）電流，可能是標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體的超導(dǎo)對應(yīng)物。盡管 SD 已經(jīng)引起了極大的關(guān)注，尤其是自 2020 年以來，但到目前為止，研究只關(guān)注單個 SD 以進(jìn)行概念驗證。該小組 2023 年的論文概述了他們?nèi)绾蝿?chuàng)建和改進(jìn)一種方法，通過該方法可以擴展 SD 以進(jìn)行更廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)在，通過構(gòu)建二極管橋式電路，他們展示了四個 SD 的成功集成，并在低溫下實現(xiàn)了 AC-DC 整流。

他們最近的 Nature Electronics 論文中描述的新方法將顯著減少從環(huán)境傳遞到低溫電路的熱噪聲和電磁噪聲，從而實現(xiàn)更清潔的作。SD 還可以用作隔離器/環(huán)行器，幫助將量子比特信號與外部影響隔離開來。將多個 SD 成功同化到第一個集成 SD 電路中，這代表了使超導(dǎo)計算成為商業(yè)現(xiàn)實的關(guān)鍵一步。

“我們的工作為未來幾年高能效、實用的基于超導(dǎo)性的超級計算機的到來打開了大門，”Moodera 說。“此外，我們預(yù)計我們的研究將增強量子比特的穩(wěn)定性，同時推動量子計算計劃，使其更接近實現(xiàn)?！辫b于這些組件可以發(fā)揮多種有益作用，Moodera 和他的團隊已經(jīng)在努力將這些設(shè)備集成到實際的超導(dǎo)邏輯電路中，包括暗物質(zhì)檢測電路，這對 CERN 和伯克利國家實驗室的 LUX-ZEPLIN 實驗作至關(guān)重要。

作者 Julianna Mullen

資料來源：麻省理工學(xué)院