Noch mehr Rechenleistung für Supercomputer
Supraleitende Rechnerschaltkreise könnten künftig die Rechenleistung sowohl im klassischen Sinn als auch für die Quanteninformatik neu definieren. Für eine solche enorme Rechenleistung benötigen Computer aber auch schnelle, skalierbare supraleitende Speicher. Und hier kommt das EU-finanzierte Projekt TERASEC ins Spiel, um „Supercomputing noch schneller zu machen”, erklärt Projektforschungsleiter Francesco Giazotto. „Genauer gesagt wollten wir demonstrieren, dass phasenkohärente Manipulation beim Energietransport praktisch umsetzbar ist.“
Supraleitende Phasenschlupf-Speicherzelle
Schwerpunkt des Projekts ist eine supraleitende Phasenschlupf-Speicherzelle. Laut der Technischen Universität Delft, Niederlande, wird dieser so genannte Phasenschlupf definiert als dualer Prozess, bei dem sich die Differenz zwischen zwei supraleitenden Bereichen in kurzer Zeit um 2π verändert. „Unsere Zelle kann den logischen Zustand in Richtung des zirkulierenden Dauerstroms effizient kodieren, ähnlich wie in herkömmlichen fluxbasierten supraleitenden Speichern“, erklärt Giazotto. „Im Gegensatz zu diesen Speichern wird allerdings keine große Induktivitätsleistung benötigt.“ Induktivität bezeichnet die Fähigkeit eines elektrischen Leiters, durch Veränderung des Stromflusses eine elektromotorische Kraft zu erzeugen. Bei der Lösung von TERASEC vermittelt eine starke Aktivierungsenergie für die Phasenschlupf-Nukleation einen robusten topologischen Schutz vor stochastischen Phasenschlupfereignissen und magnetischem Flussrauschen. Zusammen mit dem effizienten Ausleseschema wird der Betrieb der Phasenschlupf-Speicherzelle damit äußerst zuverlässig. „Aufgrund dieser Eigenschaften ist unsere Zelle hervorragend geeignet für modernste supraleitende klassische Architekturen und Flux-Qubits.“
Von Flux-Qubits zu Josephson-Kontakten
Wie Giazotto erklärt, haben Flux-Qubits eine wichtige Funktion bei supraleitender Quanteninformationsverarbeitung. „Diese kleinen, mikrometergroßen Schleifen aus supraleitendem Metall sind an mehreren Josephson-Kontakten unterbrochen“, sagt er. Josephson-Kontakte waren ein weiterer Schwerpunkt des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts TERASEC. Der Josephson-Effekt tritt dann auf, wenn zwei benachbarte Supraleiter durch eine Barriere getrennt werden. Als Josephson-Kontakt wird das gesamte quantenmechanische System bestehend aus zwei supraleitenden Elektroden und Barriere bezeichnet. „Mit unserer Forschung wird es möglich, eine ganze Komponentenfamilie aus Josephson-Kontakten zu generieren, um sie in modernsten Logikschaltungen zu verbauen“, vermerkt Giazotto.
Neue Konzepte für Quantensysteme
Das Forschungsprojekt TERASEC demonstrierte, dass phasenkohärente Manipulation des Energietransports in Quantensystemen praktisch möglich ist. Praktische Anwendungen „Auf Basis unserer Forschungen können nun Strukturen mit kohärent steuerbarem Wärmetransport konstruiert werden – also quasi das thermische Gegenstück zu elektrischen Geräten“, ergänzt Giazotto. „Beispiele für solche Geräte sind Transistoren, Wärmespeicher und thermische Logikgatter, die etwa Sicherheitstechnologien zur Erkennung von Gefahren wie Sprengstoff, Waffen und Drogen erheblich voranbringen können.“ Giazotto zufolge können aufbauend auf dem Projekt auch neue Konzepte für Quantensysteme entwickelt werden, etwa thermische Verstärker, nichtflüchtige Speichereinheiten und thermoelektrische Motoren. „Zudem können wir ladungslose Modi in Festkörpersystemen untersuchen, was mit herkömmlicher Elektronik noch nicht möglich ist“, schließt er. Nun soll die Phasenschlupf-Speicherzelle in relevanten Umgebungen validiert werden, zum Beispiel in einem Quantencomputer.
Schlüsselbegriffe
TERASEC, Supercomputing, Energietransport, Quantensysteme, supraleitende Rechenschaltkreise, Quanteninformatik, Phasenschlupf-Speicher, Flux-Qubits, Josephson-Kontakte
