Ein von der University of Minnesota Twin Cities geleitetes Team hat eine neue supraleitende Diode entwickelt, eine Schlüsselkomponente in elektronischen Geräten, die dazu beitragen könnte, Quantencomputer für den industriellen Einsatz zu skalieren und die Leistung von Systemen der künstlichen Intelligenz zu verbessern. Im Vergleich zu anderen supraleitenden Dioden ist das Gerät der Forscher energieeffizienter; kann mehrere elektrische Signale gleichzeitig verarbeiten; und enthält eine Reihe von Gattern zur Steuerung des Energieflusses, eine Funktion, die noch nie zuvor in eine supraleitende Diode integriert wurde.
Der Artikel ist veröffentlicht in Naturkommunikation.
Eine Diode lässt den Strom in einem Stromkreis in die eine Richtung fließen, in die andere jedoch nicht. Es handelt sich im Wesentlichen um die Hälfte eines Transistors, dem Hauptelement in Computerchips. Dioden werden normalerweise aus Halbleitern hergestellt, Forscher sind jedoch daran interessiert, sie aus Supraleitern herzustellen, die Energie übertragen können, ohne dabei Energie zu verlieren.
„Wir wollen Computer leistungsfähiger machen, aber mit unseren aktuellen Materialien und Herstellungsmethoden werden wir bald an einige harte Grenzen stoßen“, sagte Vlad Pribiag, leitender Autor des Papiers und außerordentlicher Professor an der University of Minnesota School of Physik und Astronomie. „Wir brauchen neue Wege, um Computer zu entwickeln, und eine der größten Herausforderungen bei der Steigerung der Rechenleistung besteht derzeit darin, dass sie so viel Energie verbrauchen. Deshalb denken wir darüber nach, wie supraleitende Technologien dabei helfen könnten.“
Die Forscher der University of Minnesota haben das Gerät mithilfe von drei Josephson-Kontakten hergestellt, die durch das Einlegen von nicht supraleitenden Materialstücken zwischen Supraleitern hergestellt werden. In diesem Fall verbanden die Forscher die Supraleiter mit Schichten aus Halbleitern. Das einzigartige Design des Geräts ermöglicht es den Forschern, das Verhalten des Geräts mithilfe von Spannung zu steuern.
Ihr Gerät ist außerdem in der Lage, mehrere Signaleingänge zu verarbeiten, während typische Dioden nur einen Eingang und einen Ausgang verarbeiten können. Diese Funktion könnte im neuromorphen Computing Anwendung finden, einer Methode zur Konstruktion elektrischer Schaltkreise, um die Funktionsweise von Neuronen im Gehirn nachzuahmen und so die Leistung von Systemen der künstlichen Intelligenz zu verbessern.
„Das von uns hergestellte Gerät hat nahezu die höchste Energieeffizienz, die jemals gezeigt wurde, und zum ersten Mal haben wir gezeigt, dass man Gates hinzufügen und elektrische Felder anwenden kann, um diesen Effekt abzustimmen“, erklärte Mohit Gupta zunächst Autor der Arbeit und Ph.D. Student an der Fakultät für Physik und Astronomie der University of Minnesota. „Andere Forscher haben bereits supraleitende Geräte hergestellt, aber die verwendeten Materialien waren sehr schwierig herzustellen. Unser Design verwendet Materialien, die industriefreundlicher sind und neue Funktionalitäten bieten.“
Die Methode, die die Forscher verwendeten, kann im Prinzip auf jede Art von Supraleiter angewendet werden, wodurch sie vielseitiger und einfacher anzuwenden ist als andere Techniken auf diesem Gebiet. Aufgrund dieser Eigenschaften ist ihr Gerät besser für Industrieanwendungen geeignet und könnte dazu beitragen, die Entwicklung von Quantencomputern für eine breitere Nutzung voranzutreiben.
„Im Moment sind alle verfügbaren Quantencomputer im Vergleich zu den Anforderungen realer Anwendungen sehr einfach“, sagte Pribiag. „Eine Skalierung ist notwendig, um einen Computer zu haben, der leistungsstark genug ist, um nützliche, komplexe Probleme zu bewältigen. Viele Leute erforschen Algorithmen und Anwendungsfälle für Computer oder KI-Maschinen, die möglicherweise klassische Computer übertreffen könnten. Hier entwickeln wir die.“ Hardware, die es Quantencomputern ermöglichen könnte, diese Algorithmen zu implementieren. Dies zeigt die Leistungsfähigkeit von Universitäten, die diese Ideen voranbringen, die schließlich ihren Weg in die Industrie finden und in praktische Maschinen integriert werden.“
Zum Forschungsteam gehörten neben Pribiag und Gupta auch der Doktorand der University of Minnesota School of Physics and Astronomy, Gino Graziano, und die Forscher der University of California, Santa Barbara, Mihir Pendharkar, Jason Dong, Connor Dempsey und Chris Palmstrøm.
Mehr Informationen:
Mohit Gupta et al., Gate-abstimmbarer supraleitender Diodeneffekt in einem Josephson-Gerät mit drei Anschlüssen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38856-0