Ранее работа электронных компонентов при таких низких температурах сталкивалась с серьезными проблемами. При снижении температуры до диапазона милликельвинов резко падает теплоемкость электронов проводимости, что усложняло контроль над температурой. Ослабевающая тепловая связь между электронами и фононами в кристаллической решетке также затрудняла отвод тепла. Эти факторы, вкупе с другими сложностями, такими как утечка тепла и повышение порогового напряжения в МОП-транзисторах, становились препятствием для квантовых вычислений.
Однако разработка компании SemiQon, названная «крио-CMOS-транзистор», обещает изменить ситуацию. В исследовании под названием «Si-MOSFETs for Quantum Electronics» утверждается, что новый транзистор снижает тепловыделение в 1000 раз по сравнению с традиционными аналогами, потребляя при этом всего 0,1% энергии обычных транзисторов, работающих при комнатной температуре. Такое снижение энергопотребления позволяет размещать и управлять электронной компонентой непосредственно внутри криостата, рядом с квантовыми процессорами.
Этот прорыв имеет важное значение для квантовых вычислений, устраняя одно из главных ограничений — проблему рассеивания тепла, которая мешает масштабированию квантовых систем до уровня, обеспечивающего устойчивость к сбоям. Для функционирования квантовых компьютеров необходимы крайне низкие температуры, чтобы сохранить когерентность кубитов. Обычная электроника генерирует тепло, что нарушает работу квантовой системы. Крио-CMOS-транзистор позволяет управлять электроникой при очень низких температурах, предотвращая перегрев и сохранение хрупкого состояния кубитов.
Еще одна важная особенность нового устройства заключается в том, что его можно производить с использованием существующей инфраструктуры КМОП-производства, без необходимости внедрения дополнительных специализированных технологий. Это упрощает масштабирование производства и ускоряет вывод продукта на рынок.
Таким образом, разработка SemiQon не только решает проблемы охлаждения и масштабирования в квантовых системах, но и демонстрирует значительный прогресс в создании более энергоэффективных и устойчивых к низким температурам электронных компонентов.
Приложения крио-CMOS-транзистора SemiQon выходят далеко за пределы квантовых вычислений. Разработка находит широкое применение в различных сферах, где необходима работа при сверхнизких температурах:
Высокопроизводительные вычислительные системы
Такие системы могут значительно выиграть от использования крио-CMOS-транзисторов благодаря снижению энергопотребления и затрат на охлаждение. Транзисторы помогут повысить производительность и уменьшить тепловыделение, что особенно важно для серверов и суперкомпьютеров.
Космические приложения
Контроль температуры в космосе всегда представлял собой сложную задачу. Криогенные транзисторы могут обеспечить надежное питание чувствительных приборов и систем связи в условиях глубокого космоса, обеспечивая высокую надежность и долговечность оборудования.
Охлаждение центров обработки данных
Ожидается, что к 2030 году расходы на охлаждение центров обработки данных достигнут более 50 миллиардов долларов. Транзисторы SemiQon предлагают эффективное решение для снижения энергопотребления и общих операционных расходов, что сделает центры обработки данных более экономичными и экологичными.
Отказоустойчивые квантовые вычисления становятся реальностью
Основной вклад крио-CMOS-транзисторов в развитие квантовых вычислений заключается в достижении отказоустойчивости — способности квантового компьютера выполнять надёжные вычисления несмотря на ошибки и сбои. Это ключевое условие для успешной реализации квантовых алгоритмов, так как квантовые системы отличаются особой уязвимостью к шуму и декогеренции.
Использование крио-CMOS-транзисторов позволяет снизить зависимость от сложной и дорогой инфраструктуры управляющей электроники, что делает квантовые компьютеры более компактными и экономически выгодными. Это способствует ускоренному развитию и коммерциализации квантовых технологий.
Проект SemiQon реализован в рамках программы SCALLOP, финансируемой Европейским советом по инновациям, и проекта ArcTIC Chips-JU, поддерживаемого Европейским союзом. Первая партия транзисторов планируется к поставке заказчикам в 2025 году.
