Василий Столяров, директор Центра мезофизики / © Анастасия Максименко, Пресс-служба МФТИ

Ученые МФТИ, МГУ, МИСИС и ВНИИА имени Духова совместно с коллегами из Франции реализовали новый вид ячейки памяти. Проведенные эксперименты и теоретическая модель подтвердили, что джозефсоновский вихрь в переходе «сверхпроводник — нормальный металл — сверхпроводник» можно использовать как носитель информации. Принцип работы, заложенный в устройстве, позволит превзойти имеющиеся разработки по скорости и энергоэффективности.

Результаты опубликованы в журнале Communications Physics. Стремление к скорости и энергоэффективности в области вычислений — это вечный марафон, где каждый финиш открывает новые горизонты. И вот, на этом пути сделан очередной прорыв: ученые представили новую криогенную память, основанную на вихрях Джозефсона.

Для реализации ячейки памяти российские ученые с коллегами из Франции создали структуру, состоящую из двух сверхпроводящих электродов, разделенных слоем нормального металла. При приложении магнитного поля в этой структуре возникают вихри Джозефсона. Идея использования вихрей в качестве носителей информации зародилась из желания создать ячейку памяти, совместимую с новейшими разработками в этой сфере. На данный момент существует целое семейство сверхпроводящих микроволновых устройств, призванное решить проблему с шумами, возникающими при передаче информации квантовому ядру. Классическая система управления кубитами требует нахождения в холодильнике рядом с квантовым процессором.

Экспериментальная реализация криогенной памяти, основанной на вихрях Джозефсона, потребовала создания сверхпроводящей структуры, состоящей из двух сверхпроводящих электродов, разделенных слоем нормального металла. При приложении магнитного поля в этой структуре возникают крошечные вихри электрического тока. Важно отметить, что эти вихри обладают гистерезисом, то есть сохраняют свое состояние после снятия магнитного поля. Это свойство стало ключевым моментом в реализации ячейки памяти.

В такой системе информация кодируется присутствием или отсутствием вихрей Джозефсона. «Сердцем» служит сверхпроводящий переход, соединенный с микроволновым резонатором. Считывание информации происходит путем измерения реакции резонатора на микроволновый сигнал. Этот метод не только не влияет на деликатное состояние вихрей Джозефсона, но и обеспечивает рекордную энергоэффективность.

«Представьте себе коробку со спичками, — говорит Дмитрий Калашников, аспирант кафедры фундаментальной и прикладной физики микро- и наноструктур МФТИ. — Если ее потрясти, вы можете услышать стук спичек, не открывая коробки. Процесс считывания информации из нашей памяти работает по схожему принципу: мы используем микроволновый сигнал малой амплитуды, чтобы “услышать” вихри Джозефсона, не влияя на их состояние».

Чтение информации из криогенной памяти практически не потребляет энергии. Но преимущества не ограничиваются этим: память на вихрях Джозефсона совместима с существующими сверхпроводящими микроволновыми устройствами, что открывает путь к созданию более сложных и производительных систем.

«Эта технология может стать ключом к созданию нового поколения высокопроизводительных компьютеров, — добавляет Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ. — Она обладает потенциалом для значительного повышения скорости и энергоэффективности вычислений».

Потенциал развития этой технологии огромен. Ученые уже работают над увеличением скорости записи, миниатюризацией резонаторов, улучшением считывания информации и созданием памяти, не нуждающейся в постоянном магнитном поле.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. В работе, кроме ученых Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, лаборатории сверхпроводящих метаматериалов МИСиС, ВНИИА имени Духова и НИИ ядерной физики им. Скобельцына, принимали участие их коллеги из Университета Сорбонны (Париж), Института технологий микроэлектроники РАН, Института физики твердого тела РАН и Университета Твенте (Нидерланды).