Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi’ndeki araştırmacılar, gelecekte kuantum ve yüksek performanslı bilgisayar sistemlerinde yarı iletken bileşenlerin yerini alabilecek bir süperiletken devre geliştirdi.
2023 yılında Amerika Birleşik Devletleri’nde tüketilen toplam enerjinin yaklaşık %4,4’ü, yani 176 teravat-saatlik kısmı, yüksek veri işleme kapasitesine sahip veri merkezleri tarafından kullanıldı. Bunun yaklaşık 100 teravat-saatlik bölümü (%57) ise CPU ve GPU’ların enerji tüketiminden kaynaklandı. Son on yılda enerji ihtiyacının hızla arttığı ve bu artışın önümüzdeki yıllarda da devam edeceği öngörülüyor. Bu durum, enerjiyi daha verimli kullanan bilgisayar teknolojilerinin önemini açıkça ortaya koyuyor.
Süperiletken elektronikler, hem klasik hem de kuantum hesaplama için umut vadeden bir alternatif olarak öne çıkıyor. Ancak yüksek kapasiteli hesaplamalarda bu teknolojiden tam verim elde edebilmek için, oda sıcaklığındaki elektroniklerle düşük sıcaklıklarda çalışan süperiletken devreler arasındaki bağlantı kablolarının önemli ölçüde azaltılması gerekiyor. Daha büyük ve daha yalın sistemler tasarlayabilmek için, yarı iletken gibi yaygın kullanılan bileşenlerin süperiletken muadilleriyle değiştirilmesi büyük avantaj sağlayabilir.
MIT Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi’nden kıdemli araştırmacı Jagadeesh Moodera ve ekibi, uzun süredir oldukça zorlu bir sorunun üzerinde çalışıyor. Çalışmalarının sonuçlarını ise Nature Electronics dergisinde yayımlanan “Efficient superconducting diodes and rectifiers for quantum circuitry” başlıklı makalelerinde paylaştılar.
Süperiletkenlerin verimli çalışabilmesi için gerekli olan son derece düşük kriyojenik sıcaklıklarda, çip üzerinde alternatif akımı (AC) doğru akıma (DC) dönüştürmek kritik bir ihtiyaçtır. Özellikle süperiletken “enerji tasarruflu hızlı tek akı kuantumu” (ERSFQ) devrelerinde AC’den DC’ye dönüşüm sorunu, bu devrelerin daha büyük ve karmaşık sistemlere ölçeklenmesinin önünde ciddi bir engel oluşturmaktadır.
Bu ihtiyaca yanıt olarak Moodera ve ekibi, aynı çip üzerinde AC’yi DC’ye dönüştürebilen süperiletken diyotlar kullanarak yeni doğrultucular geliştirdi. Bu doğrultucular sayesinde, süperiletken hem klasik hem de kuantum işlemcilerin ihtiyaç duyduğu DC akım verimli bir şekilde sağlanabilecek.
Kuantum bilgisayar devreleri, mutlak sıfıra yani 0 Kelvin’e çok yakın sıcaklıklarda çalışmak zorunda olduğundan, güç beslemesinin aşırı ısı ve elektromanyetik parazitleri en aza indirecek şekilde titizlikle kontrol edilmesi gerekir. Soğuk kuantum çiplerini oda sıcaklığındaki elektroniklere bağlayan kablolar ise istenmeyen ısı ve parazitin en önemli kaynaklarından biridir. Bu nedenle, süperiletken doğrultucular kullanılarak AC akımın kriyojenik ortamda doğrudan DC’ye dönüştürülmesi, gerekli kablo sayısını azaltır. Böylece hem ısı hem de parazit seviyeleri düşürülerek daha kararlı ve güvenilir kuantum sistemlerin geliştirilmesine olanak sağlanır.
2023 yılında gerçekleştirilen bir deneyde Jagadeesh Moodera ve çalışma arkadaşları, akımın yalnızca tek yönde akışını sağlayan, çok ince süperiletken katmanlardan oluşan süperiletken diyotlar (SD) geliştirdi. Bu diyotlar, standart yarı iletkenlerin süperiletken muadilleri olarak değerlendirilebilir. SD’ler 2020’den bu yana yoğun ilgi görse de, bugüne kadar yapılan çalışmalar çoğunlukla kavram kanıtı düzeyinde, tekil diyotların performansına odaklanmıştı.
Moodera ekibinin 2023’te yayımladığı makalede ise bu cihazların daha geniş ölçekte uygulanabilmesi için geliştirdikleri ölçeklendirme yöntemleri ayrıntılı bir şekilde ele alındı. Son aşamada ise dört süperiletken diyotun entegre edilmesiyle bir diyot köprü devresi kuruldu. Böylece kriyojenik sıcaklıklarda alternatif akımın (AC) doğru akıma (DC) başarılı bir şekilde dönüştürülebildiği gösterildi.
Yakın zamanda Nature Electronics dergisinde yayımladıkları makalede tanıttıkları yeni yöntem, oda sıcaklığından kriyojenik devrelere iletilen ısıl ve elektromanyetik gürültüyü önemli ölçüde azaltarak daha temiz ve stabil bir çalışma ortamı sağlıyor. Süperiletken diyotlar, aynı zamanda kübit sinyallerini dış etkenlerden izole etmeye yardımcı olacak izolatör veya sirkülatör olarak da işlev görebiliyor. Birden fazla süperiletken diyotun ilk entegre SD devresinde başarıyla birleştirilmesi, süperiletken hesaplamanın ticari bir teknolojiye dönüşmesi yolunda atılmış kritik bir adım olarak değerlendiriliyor.
Moodera bu gelişmeyi şöyle özetliyor: “Çalışmamız, önümüzdeki birkaç yıl içinde yüksek enerji verimliliğine sahip, pratik süperiletken tabanlı süper bilgisayarların ortaya çıkışına kapı aralıyor. Ayrıca araştırmamızın, kuantum hesaplama programını güçlendirirken kübitlerin stabilitesini artırmasını ve bu teknolojinin hayata geçirilmesini hızlandırmasını bekliyoruz.”
Bu bileşenlerin üstlenebileceği çok sayıda faydalı rol göz önüne alındığında, Moodera ve ekibi hâlihazırda bu cihazların gerçek süperiletken mantık devrelerine entegrasyonu üzerine çalışıyor. Bu kapsamda, CERN ve Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki LUX-ZEPLIN deneylerinde kullanılan karanlık madde tespit devrelerinde de kritik katkılar sağlanması hedefleniyor.
Çeviren: Faruk Berk Erkuş
Redaktör: Saim Egemen Yücel
Bilimsel Redaktör: Yasemin Poyraz Koçak
