Superkomputery stają się naprawdę super
Obliczenia nadprzewodnikowe stanowią szansę na radykalne zwiększenie mocy obliczeniowych, zarówno w układach klasycznych, jak i w odniesieniu do komputerów kwantowych. Jednak aby poradzić sobie z tymi nowymi supermocami, komputery potrzebują szybkich, skalowalnych pamięci nadprzewodnikowych. Tutaj właśnie z pomocą przychodzi finansowany przez UE projekt TERASEC. „Chcieliśmy sprawić, aby superkomputery stały się naprawdę super”, mówi Francesco Giazotto, główny badacz projektu. „Dokładniej mówiąc, naszym celem było zademonstrowanie praktycznej możliwości koherentnej fazowo manipulacji transportem energii”.
Nadprzewodząca komórka pamięci z poślizgiem fazy
Centralnym elementem projektu jest nadprzewodnikowa komórka pamięciowa z poślizgiem fazy (PSM). Jak czytamy na stronie Uniwersytetu Technicznego w Delft, poślizg fazy to podwójny proces, w którym różnica między dwoma regionami nadprzewodnikowymi zmienia się o 2π w krótkim czasie. „Nasz PSM potrafi skutecznie zakodować stan logiczny w kierunku krążącego trwałego prądu, jak to zostało powszechnie zdefiniowane w nadprzewodnikowych pamięciach opartych na strumieniu”, wyjaśnia Giazotto. „Jednak w odróżnieniu od tych ostatnich, nasz schemat pamięci nie wymaga dużej mocy indukcyjnej”. Indukcyjność odnosi się do właściwości przewodnika elektrycznego, która powoduje, że siła elektromotoryczna jest generowana przez zmianę w przepływającym prądzie. Rozwiązanie TERASEC charakteryzuje się również dużą energią aktywacji dla zarodkowania poślizgu fazy, co umożliwia solidną ochronę topologiczną przed stochastycznymi poślizgami fazy i szumem magnetycznym. To, a także skuteczny schemat odczytu rozwiązania, sprawia, że praca z PSM jest niezwykle niezawodna. „Te właściwości czynią nasz PSM obiecującym rozwiązaniem w przypadku zaawansowanych nadprzewodnikowych architektur klasycznych i kubitów strumieniowych”.
Od kubitów strumieniowych do złączy Josephsona
Jak tłumaczy Giazotto, kubity strumieniowe odgrywają ważną rolę w nadprzewodzących obliczeniach kwantowych. „Są to małe, mikrometrowej wielkości pętle nadprzewodzącego metalu, które są przerwane kilkoma złączami Josephsona”, mówi. Skoro mowa o złączach Josephsona, zespół projektu TERASEC, który otrzymał wsparcie ze strony Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, zajął się także nimi. Efekt Josephsona to zjawisko, które zachodzi, gdy między dwoma nadprzewodnikami umieszczonymi blisko siebie postawi się barierę. Złącze Josephsona to nazwa nadana urządzeniu wykorzystującemu mechanikę kwantową, zbudowanemu z dwóch elektrod nadprzewodzących, które są oddzielone barierą. „Nasze badania otwierają drogę do stworzenia całej rodziny komponentów opartych na złączu Josephsona dla zaawansowanych obwodów logicznych”, twierdzi Giazotto.
Ścieżka do nowych koncepcji urządzeń kwantowych
Zespół TERASEC w pełni zrealizował swoje założenia – zademonstrował praktyczną możliwość koherentnej fazowo manipulacji transportem energii w urządzeniach kwantowych. Co to oznacza z praktycznego punktu widzenia? „Nasze prace otwierają drogę do konstruowania struktur, w których spójna kontrola transportu ciepła umożliwi opracowanie termicznego odpowiednika urządzeń elektrycznych”, dodaje Giazotto. „Przykładami takich urządzeń są tranzystory, pamięci cieplne i termiczne bramki logiczne – wszystkie one mogą przyczynić się do znacznego postępu na przykład w zakresie bezpiecznych technologii wykrywania zagrożeń takich jak materiały wybuchowe, broń i narkotyki”. Zdaniem Giazotto badania prowadzone w ramach projektu sprawiają, że realne staje się również stworzenie urządzeń kwantowych o nowej koncepcji, takich jak wzmacniacze termiczne, jednostki pamięci nieulotnej czy silniki termoelektryczne. „Dzięki naszym pracom możemy teraz badać tryby bezładunkowe w układach półprzewodnikowych, co było niemożliwe w przypadku stosowania konwencjonalnej elektroniki”, podsumowuje. Badacze uczestniczący w projekcie pracują obecnie nad walidacją komórki PSM w odpowiednich środowiskach, w tym w układzie komputera kwantowego.
Słowa kluczowe
TERASEC, superkomputery, transport energii, urządzenia kwantowe, obliczenia nadprzewodnikowe, obliczenia kwantowe, komórka pamięci z poślizgiem fazy, kubity strumieniowe, złącza Josephsona