Elektronika kriogeniczna kluczem do rozwoju komputerów kwantowych i innych rozwiązań
Elektronika kriogeniczna ma zasadnicze znaczenie dla różnych obszarów nauki oraz technologii, zwłaszcza związanych z obliczeniami kwantowymi. Zwiększanie rozmiarów, skali i złożoności komputerów kwantowych jest źródłem nowych wyzwań związanych z zapewnianiem odpowiednio niskich temperatur. Każdy kubit wymaga bowiem własnego zestawu linii sterowania i odczytu, które mogą generować ciepło i powodować zakłócenia. Te zakłócenia powodują, że kubity wypadają ze swojego stanu kwantowego, co prowadzi do zaburzenia dokładności operacji kwantowych. Aby temu przeciwdziałać, część elektroniki sterującej i odczytującej musi być umieszczona w kriostacie – pojemniku, w którym panują ekstremalnie niskie temperatury. Takie rozwiązanie pozwala ograniczyć zapotrzebowanie na kable przewodzące ciepło, jednak ograniczeniem pozostaje moc chłodnicza kriostatu, który może odprowadzać jedynie pewną ilość ciepła. To z kolei wymaga stosowania energooszczędnych rozwiązań. W ramach finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu badawczego SEQUENCE powstały specjalne tranzystory kriogeniczne i modele tranzystorów, które znacząco poprawiają możliwości projektowania obwodów kriogenicznych.
Elektronika kriogeniczna nowej generacji
Zespół projektu SEQUENCE dokonał znaczącego postępu w zrozumieniu i modelowaniu zachowania tranzystorów w warunkach ekstremalnie niskich temperatur. „Zaawansowane modele tranzystorów, które idealnie odwzorowują fizykę ich działania w warunkach kriogenicznych, mają kluczowe znaczenie dla zmniejszenia zużycia energii w kluczowych obwodach. Obwody te obejmują wzmacniacze o niskim poziomie zakłóceń oraz ich matryce, zrealizowane w technologii tranzystorów III-V, charakteryzujących się wysoką mobilnością elektronów”, wyjaśnia Lars-Erik Wernersson, koordynator projektu SEQUENCE. Co więcej, zdobyta w tym procesie wiedza pomogła zespołowi szczegółowo scharakteryzować tranzystory wykonane w technologii FDSOI o szerokości kanału wynoszącej 28 nm. Tranzystory te zostały wykorzystane w 18-bitowych przetwornikach cyfrowo-analogowych, charakteryzujących się niezrównaną wydajnością. Zespół zaprojektował również nowe urządzenia nanoelektroniczne w celu usprawnienia transmisji i kierunku sygnału w urządzeniach wysokiej częstotliwości pracujących w ekstremalnie niskich temperaturach. W tym celu badacze wykorzystali nanodruty wykonane z półprzewodników III-V do przenoszenia sygnałów o częstotliwości radiowej w warunkach kriogenicznych. Wdrożenie tych rozwiązań pozwoliło na zmniejszenie liczby połączeń zwiększających oporność, co przekłada się na niższe straty sygnału.
Integracja technologii 3D zbliża elektronikę do kubitów
Zespół postanowił włączyć do rozwiązania technologię 3D, przewidując, że będzie to atrakcyjna droga do skalowania systemów kwantowych. „Jedną z najważniejszych zalet było zbliżenie kubitów w stanie kwantowym do elektroniki sterującej oraz odczytującej, a także uproszczone prowadzenie ścieżek sygnałowych”, twierdzi Wernersson. Krótki dystans pozwala elektronice na bezpośrednią interakcję z kubitami, kontrolowanie ich stanów i odczytywanie ich odpowiedzi. Zespół opracował pierwszą generację obwodów wykorzystujących technologię pionowych nanodrutów wykonanych z półprzewodników III-V, które umożliwiły włączenie rozwiązań opartych na tranzystorach III-V na podłożach krzemowych. Takie rozwiązanie zwiększa oszczędność rzadkich materiałów i umożliwia stosowanie większych wafli, czyli cienkich plasterków materiału półprzewodnikowego. Znajdująca się wewnątrz nanodrutów szczególna heterostruktura usprawnia pracę tranzystora poniżej napięcia progowego w niskich temperaturach, przyczyniając się w ten sposób do zwiększenia efektywności energetycznej obwodu. Badając różne opcje integracji 3D, zespół opracował również prototyp 64-wyjściowego programowalnego dynamicznego obwodu polaryzacji napięcia, który zapewnia elastyczność w sterowaniu obwodem, a także wysoki poziom złożoności i programowalności.
Nie tylko komputery kwantowe
„Technologia opracowana w ramach projektu SEQUENCE przyniesie korzyści nie tylko dla rozwoju technologii kwantowych. Rozwiązanie cieszy się zainteresowaniem producentów półprzewodników – realizowany przez nasz zespół projekt pogłębił zrozumienie działania tranzystorów i udoskonalił modele opisujące ich zachowanie w warunkach kriogenicznych”, mówi Wernersson. Zdaniem badacza zaprezentowana technologia obwodów może znaleźć zastosowanie także w warunkach kosmicznych, gdzie temperatury wahają się w zakresie od 40 do 70 K. Zespół projektu SEQUENCE zbadał modele działania obwodów, które łączą podzespoły działające w obu zakresach – temperaturze pokojowej i kriogenicznej – poszerzając w ten sposób potencjalne zastosowania technologii. W ramach prac nad elektroniką kriogeniczną na potrzeby komputerów kwantowych badacze odkryli także szereg właściwości, które mogą okazać się nieocenione z punktu widzenia technologii komunikacyjnych i radarowych.
Słowa kluczowe
SEQUENCE, elektronika kriogeniczna, tranzystor, półprzewodnik, komputery kwantowe, systemy komunikacyjne
