El circuito superconductor podría algún día reemplazar los componentes de semiconductores en los sistemas de computación cuántica

En 2023, aproximadamente el 4,4% (176 horas terawatt) del consumo total de energía en los Estados Unidos fue por centros de datos que son esenciales para procesar grandes cantidades de información. De ese 176 TWH, se usaron aproximadamente 100 TWH (57%) mediante equipos de CPU y GPU. Los requisitos de energía se han intensificado sustancialmente en la última década y solo continuarán creciendo, lo que hace que el desarrollo de la computación eficiente en energía sea crucial.

La electrónica superconductora ha surgido como una alternativa prometedora para la computación clásica y cuántica, aunque su explotación completa para la computación de alta gama requiere una reducción dramática en la cantidad de cableado que vincula la electrones de temperatura ambiente y los circuitos superconductores de baja temperatura. Hacer sistemas que sean más grandes y más simplificados, reemplazar componentes comunes como semiconductores con versiones superconductoras podría ser de inmenso valor.

Es un desafío que ha cautivado el científico senior de investigación de la investigación de ciencia y fusión de MIT, Jagadeesh Moodera y sus colegas, quienes describieron un avance significativo en un reciente Electrónica de la naturaleza Documento, “Diodos y rectificadores superconductores eficientes para circuitos cuánticos”.

Moodera estaba trabajando en un problema terco. Uno de los requisitos críticos de larga data es la necesidad de la conversión eficiente de las corrientes de CA en corrientes de DC en un chip mientras opera a las temperaturas criogénicas extremadamente frías necesarias para que los superconductores funcionen de manera eficiente. Por ejemplo, al superconducir los circuitos de “Custio de un solo flujo rápido de eficiencia energética” (ERSFQ), el problema de CA a DC está limitando la escalabilidad ERSFQ y evita su uso en circuitos más grandes con complejidades más altas.

Para responder a esta necesidad, Moodera y su equipo crearon rectificadores superconductores basados ​​en diodos superconductores (SD), dispositivos que pueden convertir AC a DC en el mismo chip. Estos rectificadores permitirían la entrega eficiente de la corriente de DC necesaria para operar procesadores clásicos y cuánticos superconductores.

Los circuitos de computadoras cuánticas solo pueden funcionar a temperaturas cercanas a 0 Kelvin (cero absoluto), y la forma en que se suministra la energía debe controlarse cuidadosamente para limitar los efectos de la interferencia introducida por demasiado calor o ruido electromagnético. La mayoría de los ruidos y calor no deseados provienen de los cables que conectan chips cuánticos fríos con electrónica de temperatura ambiente. En su lugar, el uso de rectificadores superconductores para convertir las corrientes de CA en DC dentro de un entorno criogénico reduce el número de cables, reduciendo el calor y el ruido y permitiendo sistemas cuánticos más grandes y estables.

En un experimento de 2023, Moodera y sus coautores desarrollaron SDS que están hechas de capas muy delgadas de material superconductor que muestra un flujo de corriente no recíproco (o unidireccional) y podría ser la contraparte superconductora a los semiconductores estándar.

A pesar de que las SDS han atraído una atención significativa, especialmente desde 2020, hasta este punto, la investigación se ha centrado solo en SDS individuales para la prueba de concepto. El artículo 2023 del grupo describió cómo crearon y refinaron un método por el cual SDS podría escalarse para una aplicación más amplia.

Ahora, al construir un circuito de puente de diodo, demostraron la integración exitosa de cuatro SDS y realizó la rectificación de CA a DC a temperaturas criogénicas.

El nuevo enfoque descrito en su reciente Electrónica de la naturaleza El papel reducirá significativamente el ruido térmico y electromagnético que viaja de ambiental a circuitos criogénicos, lo que permite la operación más limpia. El SDS también podría servir como aisladores/circuladores, ayudando a aislar señales de qubit de la influencia externa. La asimilación exitosa de múltiples SD en el primer circuito SD integrado representa un paso clave para hacer que la computación superconductora sea una realidad comercial.

“Nuestro trabajo abre la puerta a la llegada de supercomputadoras prácticas basadas en la superconductividad prácticas y eficientes en los próximos años”, dice Moodera. “Además, esperamos que nuestra investigación mejore la estabilidad del qubit mientras aumenta el programa de computación cuántica, acercando su realización”.

Dados los múltiples roles beneficiosos que estos componentes podrían desempeñar, Moodera y su equipo ya están trabajando hacia la integración de tales dispositivos en circuitos lógicos superconductores reales, incluso en circuitos de detección de materia oscura que son esenciales para la operación de experimentos en CERN y Lux-Zeplin en el Laboratorio Nacional de Berkeley.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/NewsOffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, la innovación y la enseñanza.