Investigadores del Centro de Ciencia del Plasma y Fusión crearon un circuito superconductor que algún día podría reemplazar los componentes semiconductores en los sistemas de computación cuántica y de alto rendimiento
(MIT)-En 2023, aproximadamente el 4,4 % (176 teravatios-hora) del consumo total de energía en Estados Unidos se destinó a centros de datos esenciales para el procesamiento de grandes cantidades de información. De esos 176 TWh, aproximadamente 100 TWh (57 %) fueron utilizados por equipos de CPU y GPU. Las necesidades energéticas han aumentado considerablemente en la última década y seguirán creciendo, lo que hace crucial el desarrollo de la computación energéticamente eficiente.
La electrónica superconductora ha surgido como una alternativa prometedora para la computación clásica y cuántica, aunque su pleno aprovechamiento para la computación de alta gama requiere una reducción drástica del cableado que conecta la electrónica a temperatura ambiente con los circuitos superconductores de baja temperatura. Para crear sistemas más grandes y optimizados, la sustitución de componentes comunes como los semiconductores por versiones superconductoras podría ser de gran valor. Este reto ha cautivado al científico investigador principal del Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT, Jagadeesh Moodera, y a sus colegas, quienes describieron un avance significativo en un artículo reciente, « Diodos y rectificadores superconductores eficientes para circuitos cuánticos ».
Moodera trabajaba en un problema persistente. Uno de los requisitos críticos y persistentes era la necesidad de convertir eficientemente las corrientes CA en CC en un chip, operando a las temperaturas criogénicas extremadamente bajas requeridas para el funcionamiento eficiente de los superconductores. Por ejemplo, en los circuitos superconductores «cuánticos de flujo único rápido de eficiencia energética» (ERSFQ), el problema de la conversión de CA a CC limita la escalabilidad de los ERSFQ e impide su uso en circuitos más grandes y de mayor complejidad. Para responder a esta necesidad, Moodera y su equipo crearon rectificadores superconductores basados en diodos superconductores (SD), dispositivos que pueden convertir CA en CC en el mismo chip. Estos rectificadores permitirían el suministro eficiente de la corriente CC necesaria para el funcionamiento de procesadores superconductores clásicos y cuánticos.
Los circuitos de computadoras cuánticas solo pueden operar a temperaturas cercanas a 0 kelvin (cero absoluto), y el suministro de energía debe controlarse cuidadosamente para limitar los efectos de las interferencias causadas por un exceso de calor o ruido electromagnético. La mayor parte del ruido y el calor no deseados provienen de los cables que conectan los chips cuánticos fríos con los componentes electrónicos a temperatura ambiente. En cambio, el uso de rectificadores superconductores para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC) en un entorno criogénico reduce el número de cables, lo que disminuye el calor y el ruido, y permite sistemas cuánticos más grandes y estables.
En un experimento de 2023 , Moodera y sus coautores desarrollaron SDs compuestos por capas muy delgadas de material superconductor que presentan un flujo de corriente no recíproco (o unidireccional) y podrían ser la contraparte superconductora de los semiconductores estándar. Si bien los SDs han recibido mucha atención, especialmente desde 2020, hasta el momento la investigación se ha centrado únicamente en SDs individuales para la prueba de concepto. El artículo del grupo de 2023 describió cómo crearon y perfeccionaron un método mediante el cual los SDs podrían escalarse para una aplicación más amplia.
Ahora, al construir un circuito de puente de diodos, demostraron la integración exitosa de cuatro SD y lograron una rectificación de CA a CC a temperaturas criogénicas.
El nuevo enfoque descrito en su reciente artículo, reducirá significativamente el ruido térmico y electromagnético que se transmite del ambiente a los circuitos criogénicos, lo que permitirá un funcionamiento más limpio. Los SD también podrían servir como aisladores/circuladores, ayudando a aislar las señales de cúbits de influencias externas. La integración exitosa de múltiples SD en el primer circuito SD integrado representa un paso clave para convertir la computación superconductora en una realidad comercial.
“Nuestro trabajo abre la puerta a la llegada de supercomputadoras prácticas, basadas en superconductividad y de alta eficiencia energética en los próximos años”, afirma Moodera. “Además, esperamos que nuestra investigación mejore la estabilidad de los cúbits, impulsando el programa de computación cuántica y acercándolo a su realización”. Dadas las múltiples funciones beneficiosas que estos componentes podrían desempeñar, Moodera y su equipo ya están trabajando en la integración de estos dispositivos en circuitos lógicos superconductores reales, incluyendo circuitos de detección de materia oscura esenciales para el funcionamiento de los experimentos en el CERN y LUX-ZEPLIN en el Laboratorio Nacional de Berkeley.
