Новый суперпроводящий диод обещает ускорить развитие квантовых технологий и нейроморфных вычислений.

Группа специалистов из Университета Миннесоты в городах-побратимах разработала новый сверхпроводящий диод, ключевой компонент электронных устройств, который может помочь увеличить масштаб квантовых компьютеров для промышленного использования и улучшить производительность систем искусственного интеллекта.

По сравнению с другими сверхпроводящими диодами, разработанное исследователями устройство более энергоэффективно, может обрабатывать несколько электрических сигналов одновременно и содержит серию затворов для управления потоком энергии, что никогда ранее не было интегрировано в сверхпроводящий диод. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Диод позволяет току течь в одну сторону, но не в другую в электрической цепи. По сути, это половина транзистора, основного элемента компьютерных чипов. Диоды обычно изготавливаются из полупроводников, но исследователи заинтересованы в их изготовлении из сверхпроводников, которые обладают способностью передавать энергию без потерь на этом пути.

«Мы хотим сделать компьютеры более мощными, но есть некоторые жесткие ограничения, которые мы скоро преодолеем с нашими нынешними материалами и методами изготовления», — говорит Влад Прибиаг, старший автор статьи и доцент Школы физики и астрономии Университета Миннесоты. «Нам нужны новые пути развития компьютеров, и одна из самых больших проблем для увеличения вычислительной мощности сейчас заключается в том, что они рассеивают очень много энергии. Поэтому мы думаем о том, как сверхпроводящие технологии могут помочь в этом».

Исследователи из Университета Миннесоты создали устройство с помощью трех джозефсоновских переходов, которые создаются путем прокладки кусочков несверхпроводящего материала между сверхпроводниками. В данном случае исследователи соединили сверхпроводники со слоями полупроводников. Уникальная конструкция устройства позволяет исследователям использовать напряжение для управления поведением устройства.

Их устройство также способно обрабатывать несколько входных сигналов, тогда как обычные диоды могут обрабатывать только один входной и один выходной сигнал. Эта особенность может найти применение в нейроморфных вычислениях — методе разработки электрических схем, имитирующих работу нейронов в мозге для повышения производительности систем искусственного интеллекта.

«Устройство, которое мы сделали, имеет почти самую высокую энергетическую эффективность, которая когда-либо была продемонстрирована, и впервые мы показали, что можно добавлять затворы и применять электрические поля для настройки этого эффекта», — объяснил Мохит Гупта, первый автор статьи и аспирант школы физики и астрономии Университета Миннесоты. «Другие исследователи уже создавали сверхпроводящие устройства, но материалы, которые они использовали, были очень сложны в изготовлении. В нашей разработке используются материалы, которые более удобны для промышленности и обеспечивают новые функциональные возможности».

Метод, который использовали исследователи, в принципе, может быть использован с любым типом сверхпроводника, что делает его более универсальным и простым в использовании, чем другие методы в этой области. Благодаря этим качествам их устройство более совместимо с промышленными приложениями и может помочь расширить масштабы разработки квантовых компьютеров для более широкого использования.

«В настоящее время все существующие квантовые вычислительные машины являются очень базовыми по отношению к потребностям реальных приложений», — сказал Прибиаг. «Для того чтобы иметь достаточно мощный компьютер для решения полезных и сложных задач, необходимо увеличение масштаба. Многие люди изучают алгоритмы и примеры использования компьютеров или машин ИИ, которые потенциально могут превзойти классические компьютеры. Здесь мы разрабатываем аппаратное обеспечение, которое позволит квантовым компьютерам реализовать эти алгоритмы. Это показывает силу университетов, сеющих эти идеи, которые в конечном итоге попадают в промышленность и интегрируются в практические машины».

Помимо Прибиага и Гупты, в исследовательскую группу вошли аспирант Школы физики и астрономии Университета Миннесоты Джино Грациано и исследователи Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Михир Пендхаркар, Джейсон Донг, Коннор Демпси и Крис Палмстрём.