Изображение сгенерировано ИИ в иллюстративных целях / фотобанк 123RF
Новую технологию перестраиваемых сверхпроводниковых схем для квантовых и нейроморфных вычислений представили ученые из Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ) и других университетов России. Подобные системы обладают регулируемыми параметрами, благодаря чему их режим работы можно подстраивать под конкретную задачу без необходимости создавать новое устройство. Преимущества новаторского подхода по сравнению с существующими аналогами — возможность работы при более высокой температуре и улучшенная управляемость. Источником вдохновения для разработки стали классические схемы для радиотехники. Деталями технологии с корреспондентом «Научной России» поделился один из ее создателей, проректор МТУСИ по научной работе, доктор технических наук Николай Викторович Кленов.
Квантовая электроника открывает возможности выполнения сложных вычислений при значительно более низких затратах энергии, чем требуют классические компьютеры. Сейчас, когда объем обрабатываемых цифровых данных растет, это может стать ценным преимуществом. Одна из перспективных основ для квантовых вычислителей — сверхпроводниковые технологии. На них и сфокусировались исследователи из МТУСИ.
Ученые представили концепцию «квантового варактора» — управляемого элемента сверхпроводниковой схемы, способного изменять ее отдельные параметры, такие как емкость, индуктивность1 и связь между отдельными компонентами, без необходимости физически перестраивать конструкцию системы.
«Если описывать нашу технологию совсем коротко, мы делаем сверхпроводящий резонатор, на конце которого стоит кольцо с двумя джозефсоновскими контактами2, — описал разработку Н.В. Кленов. — Через встроенную линию потока мы управляем магнитным потоком в петле, меняем его эффективную индуктивность — и тем самым плавно и обратимо перестраиваем резонансную частоту. Модель учитывает конечную индуктивность петли и позволяет выбрать рабочий диапазон без гистерезиса3. Это и есть наш “квантовый варактор” — управляемый элемент для сверхпроводниковых схем».
1Индуктивность — характеристика магнитных свойств электрической цепи.
2Контакт Джозефсона — тонкий диэлектрический слой между двумя сверхпроводниками.
3Гистерезис — явление, при котором характеристика предмета неоднозначно зависит от внешнего воздействия в данный момент времени, поскольку она также определяется условиями, которые предшествовали текущим.
Источником идеи для разработки стали обычные радиоэлектронные схемы, работу которых можно управляемо изменять путем воздействия на специальные элементы. В МТУСИ накоплен большой опыт работы с перестраиваемыми радиотехническими схемами, и ученые видят ценные перспективы в переносе этих знаний на область макроскопической квантовой электроники. Результаты исследования были опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Проректор МТУСИ по научной работе, доктор технических наук Николай Викторович Кленов.
Фото: Наталия Кулешова / пресс-служба МТУСИ
«Сегодня уже существуют разработки в области перестраиваемых сверхпроводниковых схем. Во введении к нашей статье мы подробно разбираем предшествующие работы — это, прежде всего, резонаторы, перестраиваемые с помощью сверхпроводящих интерферометров4, в том числе на основе нано-сужений и мостиков Дайема. Многие из них работают при милликельвиновых температурах или требуют относительно сложной литографии, например электронно-лучевой или фокусированной ионной, — отметил Н.В. Кленов. — Ключевая новизна нашей работы в том, что мы работаем при 4,2 К (около -268,95°C — Примеч. корр.) — более высокой температуре, чем многие конкуренты. Это делает эксперименты и потенциальные применения дешевле и проще. Мы используем стандартную технологию Nb/Al–AlOₓ/Nb, совместимую с крупносерийной сверхпроводящей электроникой. Кроме того, мы не просто гонимся за максимальным полным сдвигом частоты, а учимся точно управлять его однозначной, воспроизводимой частью. В эксперименте нам удалось получить максимальный сдвиг 8,63 МГц и однозначный интервал перестройки 2,85 МГц. Это позволяет точнее управлять частотой резонаторов, чем удавалось ранее на мировом уровне. Наш подход учитывает конечную индуктивность петли интерферометра и гистерезис, что дает предсказуемый дизайн устройств».
В области квантовых вычислений возможность настройки параметров одной и той же схемы для решения разных задач имеет огромное значение.
«В квантовых вычислениях перестраиваемые элементы помогают лучше управлять кубитами, настраивать связи между ними и считывать их состояние, а также компенсировать разброс параметров, неизбежный при изготовлении, — сказал Н.В. Кленов. — Но, пожалуй, еще важнее более широкая задача — считывание сигналов с матриц высокочувствительных квантовых сенсоров. Здесь нужно много каналов с близкими, точно подстроенными частотами. Наши перестраиваемые резонаторы позволяют пост-фабрично подстраивать частоты каналов, что критично для частотного мультиплексирования5. Это нужно для матриц квантовых детекторов, мультиплексоров под тонкие задачи и так далее. Поскольку мы работаем при 4 К, такие устройства могут быть востребованы там, где милликельвиновое охлаждение слишком дорого или невозможно. В перспективе это также нейроморфные вычисления, параметрические усилители и квантовые сопроцессоры».
4Сверхпроводящие квантовые интерферометры — устройства, используемые в сверхпроводниках для измерения сверхмалых магнитных полей, электрических токов и других характеристик.
5Мультиплексирование — передача нескольких потоков данных по одному каналу связи с помощью специального устройства (мультиплексора).
Особую роль такие системы могут сыграть в области нейроморфных вычислений, построенных по принципу работы биологического мозга и выгодных с точки зрения энергоэффективности. Так же, как нейронные связи в живом мозге меняются в зависимости от того, что узнает его хозяин, аппаратные нейроморфные системы перестраивают свою работу в процессе вычислений. Обычно такая настройка обеспечивается управлением и программированием. Применение перестраиваемых сверхпроводниковых схем даст возможность перевести эту пластичность в физическую плоскость — на основе подобных систем можно будет создавать искусственные синапсы, чьи характеристики будут обратимо «переключаться» управляющими сигналами.
Исследователи не только предложили новый подход к конструированию перестраиваемых сверхпроводниковых схем, но и опробовали инновацию на практике, создав рабочие прототипы технологии. При этом говорить о том, что новинка уже сейчас способна заменить существующие вычислители, пока рано: разработка ученых создает важный задел для дальнейшего совершенствования квантовых процессоров и нейроморфных систем.
«Мы не ограничились теорией: изготовили и измерили прототипы — четвертьволновые резонаторы, нагруженные на двухконтактные интерферометры, с интегрированными на чипе линиями потокового управления. В опубликованной статье приведены микрофотографии тестовых чипов, схема эксперимента, результаты высокочастотных-измерений при 4,2 К, характеризация элементов и сравнение с моделью, — заключил Н.В. Кленов. — Таким образом, прототипы уже созданы и проверены. Для дальнейшего внедрения потребуется интеграция в конкретные схемы — например, в мультиплексоры для считывания матриц сенсоров — и оптимизация под конкретные прикладные задачи».
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Изображение на превью: сгенерировано ИИ в иллюстративных целях / фотобанк 123RF.
Фото на странице: Наталия Кулешова / пресс-служба МТУСИ.
