Сотрудники физического факультета МГУ совместно с коллегами (Россия, Нидерланды) впервые предложили новый подход к миниатюризации базовых ячеек цифровой сверхпроводниковой электроники, что открывает путь к увеличению степени интеграции таких цифровых схем и расширению области их применения. Работа поможет улучшить быстродействие квантовых компьютеров и различных низкотемпературных датчиков, используемых в телекоммуникационных системах, радиоастрономии. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Applied и выполнено в рамках научной школы (НОШ) МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина».

Сверхпроводниковая цифровая электроника используется в специализированных вычислительных системах в ситуациях, когда её достоинства – высокие быстродействие и энергоэффективность – оказываются критически важны. К таким задачам относятся, например, обработка сигналов с массивов сверхчувствительных низкотемпературных датчиков или с элементов квантовых компьютеров, гибридные квантово-классические сверхпроводниковые вычислительные машины сейчас привлекают повышенное внимание исследователей.

Коллектив авторов, состоящий из учёных МГУ и их коллег, при помощи имитационного численного моделирования на основе обобщенной резистивной модели джозефсоновских гетероструктур и метода баланса фаз для сверхпроводящих цепей предложил и исследовал разные варианты реализации ячейки памяти, а также 8-битного параллельного сумматора, способного функционировать без «индуктивностей для хранения информации», занимающих много места на чипе.

«Вычислительные комплексы, элементная база которых использует макроскопические квантовые эффекты в сверхпроводниках, могут быть весьма интересны: характерная длительность одной операции здесь составляет всего несколько пикосекунд (1 пс = 10 в степени -12 с); тепла же при этом выделяется всего порядка 1 аттоджоуля (10 в степени -18 Дж). Даже с учетом энергозатрат на охлаждение современные цифровые сверхпроводниковые устройства на пару порядков «бережливее» своих полупроводниковых аналогов. Вот только сделать компактными ячейки цифровых джозефсоновских схем долгое время никак не получалось. Одна только индуктивность, используемая для хранения информации в виде квантов магнитного потока, занимала несколько квадратных микрометров на чипе», – рассказал сотрудник НОШ МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина», доцент физического факультета МГУ Николай Кленов.