Πλησιάζοντας τους υπεραγώγιμους ημιαγωγούς

Η ενεργειακή πρόκληση των κέντρων δεδομένων

Το 2023, περίπου το 4,4% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας στις Ηνωμένες Πολιτείες, δηλαδή 176 τεραβατώρες (TWh), καταναλώθηκε από τα κέντρα δεδομένων που είναι απαραίτητα για την επεξεργασία μεγάλων ποσοτήτων πληροφοριών. Από αυτές τις 176 TWh, περίπου 100 TWh (57%) χρησιμοποιήθηκαν από εξοπλισμό CPU και GPU. Οι ενεργειακές απαιτήσεις έχουν αυξηθεί σημαντικά την τελευταία δεκαετία και αναμένεται να συνεχίσουν να αυξάνονται, καθιστώντας την ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικών υπολογιστικών συστημάτων κρίσιμη.

Η υπόσχεση των υπεραγώγιμων ηλεκτρονικών

Τα υπεραγώγιμα ηλεκτρονικά έχουν αναδειχθεί ως μια υποσχόμενη εναλλακτική για κλασικούς και κβαντικούς υπολογιστές, αν και η πλήρης αξιοποίησή τους για υπολογισμούς υψηλής απόδοσης απαιτεί μια δραματική μείωση της ποσότητας καλωδίωσης που συνδέει τα ηλεκτρονικά σε θερμοκρασία περιβάλλοντος με τα υπεραγώγιμα κυκλώματα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η αντικατάσταση κοινών εξαρτημάτων, όπως οι ημιαγωγοί, με υπεραγώγιμες εκδόσεις θα μπορούσε να προσφέρει τεράστια αξία. Αυτή είναι μια πρόκληση που έχει αιχμαλωτίσει τον ανώτερο ερευνητή του MIT Plasma Science and Fusion Center, Jagadeesh Moodera, και τους συναδέλφους του, οι οποίοι περιέγραψαν μια σημαντική ανακάλυψη σε πρόσφατο άρθρο στο Nature Electronics με τίτλο “Αποτελεσματικές υπεραγώγιμες διόδοι και ανορθωτές για κβαντικά κυκλώματα”.

Η τεχνική πρόκληση της μετατροπής ρεύματος

Ο Moodera εργαζόταν πάνω σε ένα επίμονο πρόβλημα. Ένα από τα κρίσιμα μακροχρόνια αιτήματα είναι η ανάγκη για αποτελεσματική μετατροπή εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) σε συνεχές ρεύμα (DC) σε ένα chip, ενώ λειτουργεί στις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται για την αποτελεσματική λειτουργία των υπεραγωγών. Για παράδειγμα, στα υπεραγώγιμα κυκλώματα “energy-efficient rapid single flux quantum” (ERSFQ), το ζήτημα της μετατροπής AC σε DC περιορίζει την κλιμάκωση των ERSFQ και εμποδίζει τη χρήση τους σε μεγαλύτερα κυκλώματα με υψηλότερη πολυπλοκότητα. Για να ανταποκριθούν σε αυτήν την ανάγκη, ο Moodera και η ομάδα του δημιούργησαν υπεραγώγιμους ανορθωτές βασισμένους σε υπεραγώγιμες διόδους (SD) — συσκευές που μπορούν να μετατρέψουν το AC σε DC στο ίδιο chip. Αυτοί οι ανορθωτές θα επιτρέψουν την αποτελεσματική παροχή του DC ρεύματος που είναι απαραίτητο για τη λειτουργία των υπεραγώγιμων κλασικών και κβαντικών επεξεργαστών.

Η σημασία της κρυογενικής περιβάλλοντος

Τα κυκλώματα κβαντικών υπολογιστών μπορούν να λειτουργούν μόνο σε θερμοκρασίες κοντά στο 0 Κέλβιν (απόλυτο μηδέν), και ο τρόπος με τον οποίο παρέχεται η ενέργεια πρέπει να ελέγχεται προσεκτικά για να περιοριστούν οι επιδράσεις της παρεμβολής που προκαλείται από υπερβολική θερμότητα ή ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο. Ο περισσότερος θόρυβος και η θερμότητα προέρχονται από τα καλώδια που συνδέουν τα ψυχρά κβαντικά chips με τα ηλεκτρονικά σε θερμοκρασία δωματίου. Αντίθετα, η χρήση υπεραγώγιμων ανορθωτών για τη μετατροπή του AC σε DC μέσα σε ένα κρυογενικό περιβάλλον μειώνει τον αριθμό των καλωδίων, μειώνοντας τη θερμότητα και τον θόρυβο και επιτρέποντας τη δημιουργία μεγαλύτερων, πιο σταθερών κβαντικών συστημάτων.

Η καινοτομία των υπεραγώγιμων διόδων

Σε ένα πείραμα το 2023, ο Moodera και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν SDs που αποτελούνται από πολύ λεπτά στρώματα υπεραγώγιμου υλικού που εμφανίζουν μη αμοιβαία (ή μονοκατευθυντική) ροή ρεύματος και θα μπορούσαν να είναι το υπεραγώγιμο αντίστοιχο των τυπικών ημιαγωγών. Παρόλο που οι SDs έχουν προκαλέσει σημαντικό ενδιαφέρον, ιδιαίτερα από το 2020, μέχρι στιγμής η έρευνα επικεντρώθηκε μόνο σε μεμονωμένες SDs για απόδειξη της έννοιας. Το άρθρο της ομάδας το 2023 περιέγραψε πώς δημιούργησαν και βελτίωσαν μια μέθοδο με την οποία οι SDs θα μπορούσαν να κλιμακωθούν για ευρύτερη εφαρμογή.

Η εφαρμογή σε κβαντικά κυκλώματα

Τώρα, με την κατασκευή ενός κυκλώματος γέφυρας διόδων, απέδειξαν την επιτυχή ενσωμάτωση τεσσάρων SDs και πραγματοποίησαν ανορθωτική μετατροπή AC σε DC σε κρυογενικές θερμοκρασίες. Η νέα προσέγγιση που περιγράφεται στο πρόσφατο άρθρο τους στο Nature Electronics θα μειώσει σημαντικά τον θερμικό και ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο που ταξιδεύει από το περιβάλλον στα κρυογενικά κυκλώματα, επιτρέποντας καθαρότερη λειτουργία. Οι SDs θα μπορούσαν επίσης να λειτουργήσουν ως απομονωτές/κυκλοφορητές, βοηθώντας στην απομόνωση των σημάτων των qubit από εξωτερικές επιρροές. Η επιτυχής ενσωμάτωση πολλαπλών SDs στο πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα SD αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα προς την εμπορική πραγματικότητα των υπεραγώγιμων υπολογιστών.

Το μέλλον των υπεραγώγιμων υπολογιστών

“Η δουλειά μας ανοίγει την πόρτα στην άφιξη εξαιρετικά ενεργειακά αποδοτικών, πρακτικών υπεραγώγιμων υπερυπολογιστών τα επόμενα χρόνια,” λέει ο Moodera. “Επιπλέον, αναμένουμε ότι η έρευνά μας θα ενισχύσει τη σταθερότητα των qubit ενώ θα ενισχύσει το πρόγραμμα κβαντικών υπολογιστών, φέρνοντας την υλοποίησή του πιο κοντά.” Δεδομένων των πολλαπλών ωφέλιμων ρόλων που θα μπορούσαν να παίξουν αυτά τα εξαρτήματα, ο Moodera και η ομάδα του εργάζονται ήδη προς την ενσωμάτωση τέτοιων συσκευών σε πραγματικά υπεραγώγιμα λογικά κυκλώματα, συμπεριλαμβανομένων κυκλωμάτων ανίχνευσης σκοτεινής ύλης που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία πειραμάτων στο CERN και το LUX-ZEPLIN