Исследователи Центра плазменных наук и термоядерного синтеза создали сверхпроводящую схему, которая однажды сможет заменить полупроводниковые компоненты в квантовых и высокопроизводительных вычислительных системах.
Энергопотребление дата-центров в США
В 2023 году около 4,4% (176 тераватт-часов) от общего энергопотребления в Соединённых Штатах приходилось на долю дата-центров, которые необходимы для обработки больших объёмов информации. Из этих 176 ТВт⋅ч примерно 100 ТВт⋅ч (57%) было использовано оборудованием CPU и GPU.
За последнее десятилетие потребности в энергии существенно возросли, и эта тенденция будет продолжаться. Поэтому разработка энергоэффективных вычислительных систем имеет решающее значение.
Сверхпроводящая электроника как альтернатива
Сверхпроводящая электроника стала перспективной альтернативой классическим и квантовым вычислениям. Однако для их полноценного использования в высокопроизводительных вычислениях требуется значительное сокращение количества проводов, соединяющих электронику при комнатной температуре и низкотемпературные сверхпроводящие схемы.
Замена обычных компонентов, таких как полупроводники, на сверхпроводящие может иметь огромную ценность. Это задача, которая увлекла старшего научного сотрудника Центра плазменных наук и термоядерного синтеза MIT Джагадиша Мудере и его коллег. Они описали значительный прорыв в недавней статье в журнале Nature Electronics: «Efficient superconducting diodes and rectifiers for quantum circuitry» («Эффективные сверхпроводящие диоды и выпрямители для квантовых схем»).
Проблема, над которой работал Мудера
Одной из важнейших задач является необходимость эффективного преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) на чипе при работе в экстремально холодных криогенных температурах, необходимых для эффективной работы сверхпроводников.
Например, в сверхпроводящих «энергоэффективных схемах с быстрым одиночным квантом потока» (ERSFQ) проблема преобразования AC в DC ограничивает масштабируемость ERSFQ и препятствует их использованию в более крупных схемах с более высокой сложностью.
Чтобы решить эту задачу, Мудера и его команда создали сверхпроводящие диоды (SD) на основе сверхпроводящих выпрямителей — устройств, которые могут преобразовывать AC в DC на одном чипе. Эти выпрямители позволят эффективно подавать постоянный ток, необходимый для работы сверхпроводящих классических и квантовых процессоров.
Квантовые компьютерные схемы
Квантовые компьютерные схемы могут работать только при температурах, близких к 0 кельвинам (абсолютному нулю), и подача питания должна тщательно контролироваться, чтобы ограничить влияние помех, вносимых слишком большим количеством тепла или электромагнитного шума.
Большинство нежелательных шумов и тепла исходит от проводов, соединяющих холодные квантовые чипы с электроникой при комнатной температуре. Использование сверхпроводящих выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный в криогенной среде уменьшает количество проводов, сокращая тепло и шум и позволяя создавать более крупные и стабильные квантовые системы.
Эксперимент 2023 года
В эксперименте 2023 года Мудера и его соавторы разработали SD, изготовленные из очень тонких слоёв сверхпроводящего материала, которые демонстрируют невзаимный (или однонаправленный) поток тока и могут стать сверхпроводящим аналогом стандартных полупроводников.
Хотя SD привлекли значительное внимание, особенно с 2020 года, до этого момента исследования были сосредоточены только на отдельных SD для доказательства концепции. В статье 2023 года группа описала, как они создали и усовершенствовали метод, с помощью которого SD можно масштабировать для более широкого применения.
Теперь, создав диодный мостовой контур, они продемонстрировали успешную интеграцию четырёх SD и реализовали преобразование AC в DC при криогенных температурах.
Новый подход, описанный в их недавней статье в журнале Nature Electronics, значительно сократит тепловые и электромагнитные помехи, поступающие из окружающей среды в криогенную схему, что обеспечит более чистую работу.
SD также потенциально могут служить изоляторами/циркуляторами, помогая изолировать сигналы кубитов от внешнего воздействия. Успешное объединение нескольких SD в первую интегрированную схему SD представляет собой ключевой шаг на пути к тому, чтобы сделать сверхпроводящие вычисления реальностью в коммерческом масштабе.
«Наша работа открывает двери для появления высокоэнергоэффективных практических суперкомпьютеров на основе сверхпроводимости в ближайшие несколько лет», — говорит Мудера. «Более того, мы ожидаем, что наши исследования повысят стабильность кубитов, одновременно стимулируя программу квантовых вычислений, приближая её реализацию».
Учитывая множество полезных функций, которые могут выполнять эти компоненты, Мудера и его команда уже работают над интеграцией таких устройств в реальные сверхпроводящие логические схемы, в том числе в схемы обнаружения тёмной материи, которые необходимы для работы экспериментов в ЦЕРНе и LUX-ZEPLIN в Национальной лаборатории в Беркли.
Эта работа была частично профинансирована Комитетом по передовым концепциям Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, Национальным научным фондом США, Управлением исследований армии США и Управлением научных исследований ВВС США.
Статья: «Efficient superconducting diodes and rectifiers for quantum circuitry» («Эффективные сверхпроводящие диоды и выпрямители для квантовых схем»).