等离子体科学与聚变中心的研究人员创造了一种超导电路，有朝一日可以取代量子和高性能计算系统中的半导体元件。
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2023 年，美国总能源消耗的约 4.4%（176 太瓦时）来自处理大量信息所必需的数据中心。在这 176 TWh 中，大约 100 TWh （57%） 用于 CPU 和 GPU 设备。能源需求在过去十年中大幅增加，并且只会继续增长，这使得节能计算的开发变得至关重要。
超导电子学已成为经典和量子计算的一种有前途的替代方案，尽管它们要充分用于高端计算，需要大幅减少连接环境温度电子设备和低温超导电路的布线量。为了制造更大、更精简的系统，用超导版本取代半导体等常见组件可能具有巨大的价值。麻省理工学院等离子体科学与聚变中心高级研究科学家 Jagadeesh Moodera 和他的同事们都对这一挑战着迷，他们在最近的一篇 Nature Electronics 论文“用于量子电路的高效超导二极管和整流器”中描述了一项重大突破。
穆德拉正在解决一个顽固的问题。长期存在的关键要求之一是需要在超导体高效工作所需的极冷低温下工作，同时在芯片上将交流电流高效转换为直流电流。例如，在超导“节能快速单磁通量量子”（ERSFQ） 电路中，AC-DC 问题限制了 ERSFQ 的可扩展性，并阻止了它们在具有更高复杂性的更大电路中使用。为了满足这一需求，Moodera 和他的团队创造了基于超导二极管 （SD） 的超导整流器，这些器件可以在同一芯片上将交流电转换为直流电。这些整流器将允许有效传输运行超导经典和量子处理器所需的直流电流。
量子计算机电路只能在接近 0 开尔文（绝对零度）的温度下运行，并且必须仔细控制供电方式，以限制过多热量或电磁噪声带来的干扰影响。大多数不需要的噪声和热量来自将冷量子芯片连接到室温电子设备的电线。相反，在低温环境中使用超导整流器将交流电流转换为直流电可以减少导线数量，减少热量和噪声，并实现更大、更稳定的量子系统。
在 2023 年的一项实验中，Moodera 和他的合著者开发了由非常薄的超导材料层制成的 SD，这些超导材料显示非互易（或单向）电流，可能是标准半导体的超导对应物。尽管 SD 已经引起了极大的关注，尤其是自 2020 年以来，但到目前为止，研究只关注单个 SD 以进行概念验证。该小组 2023 年的论文概述了他们如何创建和改进一种方法，通过该方法可以扩展 SD 以进行更广泛的应用。
现在，通过构建二极管桥式电路，他们展示了四个 SD 的成功集成，并在低温下实现了 AC-DC 整流。
他们最近的 Nature Electronics 论文中描述的新方法将显着减少从环境传递到低温电路的热噪声和电磁噪声，从而实现更清洁的作。SD 还可以用作隔离器/环行器，帮助将量子比特信号与外部影响隔离开来。将多个 SD 成功同化到第一个集成 SD 电路中，这代表了使超导计算成为商业现实的关键一步。
“我们的工作为未来几年高能效、实用的基于超导性的超级计算机的到来打开了大门，”Moodera 说。“此外，我们预计我们的研究将增强量子比特的稳定性，同时推动量子计算计划，使其更接近实现。”鉴于这些组件可以发挥多种有益作用，Moodera 和他的团队已经在努力将这些设备集成到实际的超导逻辑电路中，包括暗物质检测电路，这对 CERN 和伯克利国家实验室的 LUX-ZEPLIN 实验作至关重要。
作者 Julianna Mullen
资料来源：麻省理工学院
