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Par University of Minnesota7 juin 2023

Des chercheurs ont mis au point une nouvelle diode supraconductrice qui s'avère prometteuse pour améliorer les performances des systèmes d'intelligence artificielle et développer des ordinateurs quantiques pour des applications industrielles. Cet appareil surpasse ses homologues avec une efficacité énergétique supérieure, la capacité de traiter plusieurs signaux électriques simultanément et une série unique de portes contrôlant le flux d'énergie.

A team of researchers has developed a high-efficiency superconducting diode with potential applications in scaling up quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> l'informatique quantique et l'amélioration des systèmes d'IA. Cet appareil peut traiter plusieurs signaux simultanément, une fonctionnalité bénéfique pour l'informatique neuromorphique, et est conçu avec des matériaux plus adaptés à l'industrie, ouvrant la voie à des applications industrielles plus larges.

Une équipe dirigée par l'Université du Minnesota Twin Cities a développé une nouvelle diode supraconductrice, un composant clé des appareils électroniques, qui pourrait aider à faire évoluer les ordinateurs quantiques pour une utilisation industrielle et à améliorer les performances des systèmes d'intelligence artificielle.

Comparé à d'autres diodes supraconductrices, le dispositif des chercheurs est plus économe en énergie ; peut traiter plusieurs signaux électriques à la fois ; et contient une série de portes pour contrôler le flux d'énergie, une caractéristique qui n'a jamais été intégrée auparavant dans une diode supraconductrice.

The paper was published in Nature Communications<em>Nature Communications</em> is a peer-reviewed, open-access, multidisciplinary, scientific journal published by Nature Portfolio. It covers the natural sciences, including physics, biology, chemistry, medicine, and earth sciences. It began publishing in 2010 and has editorial offices in London, Berlin, New York City, and Shanghai. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Nature Communications, une revue scientifique à comité de lecture qui couvre les sciences naturelles et l'ingénierie.

A diode allows current to flow one way but not the other in an electrical circuit. It's essentially half of a transistor, the main element in computer chips. Diodes are typically made with semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">semi-conducteurs, mais les chercheurs s'intéressent à les fabriquer avec des supraconducteurs, qui ont la capacité de transférer de l'énergie sans perdre de puissance en cours de route.

Une équipe dirigée par l'Université du Minnesota Twin Cities a développé une diode supraconductrice accordable plus économe en énergie - un composant prometteur pour les futurs appareils électroniques - qui pourrait aider à développer les ordinateurs quantiques pour l'industrie et à améliorer les systèmes d'intelligence artificielle. Crédit : Olivia Hultgren / Université des villes jumelles du Minnesota

"Nous voulons rendre les ordinateurs plus puissants, mais il y a des limites strictes que nous allons bientôt atteindre avec nos matériaux et méthodes de fabrication actuels", a déclaré Vlad Pribiag, auteur principal de l'article et professeur agrégé à la University of Minnesota School of Physique et astronomie. "Nous avons besoin de nouvelles façons de développer des ordinateurs, et l'un des plus grands défis pour augmenter la puissance de calcul en ce moment est qu'ils dissipent autant d'énergie. Nous réfléchissons donc à des moyens par lesquels les technologies supraconductrices pourraient y contribuer."

Les chercheurs de l'Université du Minnesota ont créé le dispositif à l'aide de trois jonctions Josephson, qui sont fabriquées en prenant en sandwich des morceaux de matériau non supraconducteur entre des supraconducteurs. Dans ce cas, les chercheurs ont connecté les supraconducteurs avec des couches de semi-conducteurs. La conception unique de l'appareil permet aux chercheurs d'utiliser la tension pour contrôler le comportement de l'appareil.

Leur dispositif a également la capacité de traiter plusieurs entrées de signal, alors que les diodes typiques ne peuvent gérer qu'une seule entrée et une seule sortie. Cette fonctionnalité pourrait avoir des applications dans l'informatique neuromorphique, une méthode d'ingénierie de circuits électriques pour imiter le fonctionnement des neurones dans le cerveau afin d'améliorer les performances des systèmes d'intelligence artificielle.

"L'appareil que nous avons fabriqué a une efficacité énergétique proche de la plus élevée qui n'ait jamais été démontrée, et pour la première fois, nous avons montré que vous pouvez ajouter des portes et appliquer des champs électriques pour régler cet effet", a expliqué Mohit Gupta, premier auteur de l'article et d'un doctorat. étudiant à l'École de physique et d'astronomie de l'Université du Minnesota. "D'autres chercheurs ont déjà fabriqué des dispositifs supraconducteurs, mais les matériaux qu'ils ont utilisés ont été très difficiles à fabriquer. Notre conception utilise des matériaux plus adaptés à l'industrie et offrant de nouvelles fonctionnalités."

La méthode utilisée par les chercheurs peut, en principe, être utilisée avec n'importe quel type de supraconducteur, ce qui la rend plus polyvalente et plus facile à utiliser que d'autres techniques dans le domaine. En raison de ces qualités, leur appareil est plus compatible avec les applications industrielles et pourrait contribuer à accélérer le développement d'ordinateurs quantiques pour une utilisation plus large.

"À l'heure actuelle, toutes les machines informatiques quantiques sont très basiques par rapport aux besoins des applications du monde réel", a déclaré Pribiag. "La mise à l'échelle est nécessaire pour disposer d'un ordinateur suffisamment puissant pour résoudre des problèmes utiles et complexes. De nombreuses personnes recherchent des algorithmes et des cas d'utilisation d'ordinateurs ou de machines d'IA qui pourraient potentiellement surpasser les ordinateurs classiques. Ici, nous développons le matériel qui pourrait permettre aux ordinateurs quantiques de mettre en œuvre ces algorithmes. Cela montre la puissance des universités à semer ces idées qui finissent par se retrouver dans l'industrie et sont intégrées dans des machines pratiques.

Référence : "Gate-tunable supraconducting diode effect in a three-terminal Josephson device" par Mohit Gupta, Gino V. Graziano, Mihir Pendharkar, Jason T. Dong, Connor P. Dempsey, Chris Palmstrøm et Vlad S. Pribiag, 29 mai 2023 , Nature Communications.DOI : 10.1038/s41467-023-38856-0

Cette recherche a été financée principalement par le Département de l'énergie des États-Unis avec le soutien partiel de Microsoft Research et de la National Science Foundation.

En plus de Pribiag et Gupta, l'équipe de recherche comprenait Gino Graziano, étudiant diplômé de l'École de physique et d'astronomie de l'Université du Minnesota et l'Université de Californie, les chercheurs de Santa Barbara Mihir Pendharkar, Jason Dong, Connor Dempsey et Chris Palmstrøm.