Nat.Commun. : 新的硬件将扩大量子计算机的工业应用规模

光子盒研究院

由明尼苏达大学双城分校领导的一个团队开发了一种新的超导二极管——这是电子设备中的一个关键部件，可以帮助扩大量子计算机的工业使用规模，并提高人工智能系统的性能。与其他超导二极管相比，研究人员的装置更加节能、可以同时处理多个电信号，并且包含一系列控制能量流动的“门”：这些功能以前从未被集成到超导二极管中。

5月29日，这篇论文发表在《自然·通讯》上。

二极管允许电流在电路中流向一个方向，而不是另一个方向。它基本上是晶体管的一半，也是计算机芯片的主要元素。二极管通常是用半导体制造的，但研究人员对用超导体制造它们感兴趣，因为超导体有能力在传输能量的过程中不损失任何能量。

该论文的资深作者、明尼苏达大学物理和天文学学院副教授Vlad Pribiag说：“我们想让计算机变得更加强大，但是我们目前的材料和制造方法很快就会遇到一些硬性限制。因此，我们需要新的方法来开发计算机，而现在提高计算能力的最大挑战之一是它们耗散的能量太多。我们正在考虑是超导技术可能有助于解决这个问题。”

明尼苏达大学双城分校团队开发了一种更节能、可调谐的超导二极管，可以帮助为工业界扩大量子计算机的规模并改善人工智能系统。

器件结构

约瑟夫森二极管效应

明尼苏达大学的研究人员使用三个约瑟夫森结创建了这个设备，约瑟夫森结是由通过在超导体之间夹住非超导材料的碎片制成的。在这种情况下，研究人员用半导体层连接超导体。该设备的独特设计使研究人员能够使用电压来控制这一设备。

他们的设备也有能力处理多个信号输入，而典型的二极管只能处理一个输入和一个输出。这一特点可能会在神经形态计算中得到应用——神经形态计算是一种模仿大脑中神经元运作方式的电路工程方法，进而可以提高人工智能系统的性能。

该论文的第一作者、明尼苏达大学物理和天文学学院的博士生Mohit Gupta解释说：“我们制造的设备具有接近有史以来最高的能源效率；而且，我们首次表明，可以通过添加‘门’、应用电场来调整这种效果。其他研究人员以前也制造过超导设备，但他们使用的材料非常难以制造。我们的设计使用了对工业更友好的材料，并提供了新的功能。”

研究人员使用的方法原则上可以用于任何类型的超导体，使其比该领域的其他技术更通用、更容易使用。由于这些特质，他们的设备对行业应用更加兼容，可以帮助扩大量子计算机的开发规模，使其得到更广泛的应用。

“现在，相对于现实世界的应用需求，所有的量子计算机器都是非常基础的。”Pribiag说：“为了拥有一台足够强大的计算机来解决有用的复杂问题，扩大规模是必要的。很多人都在研究计算机或人工智能机器的算法和使用案例，它们有可能超过经典计算机。在这里，我们正在开发可以使量子计算机实现这些算法的硬件，这些想法最终会进入工业界并被集成到实用机器中。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-023-38856-0

[2]https://phys.org/news/2023-06-superconducting-diode-quantum-artificial-intelligence.html