​Fotograf: Anna-Lena Lundqvist 

Nytt projekt banar väg för framtidens superdatorer

​Forskare från Chalmers medverkar nu i lanseringen av ett internationellt forskningsprojekt som syftar till att skapa ett gränssnitt mellan supraledare och halvledare för framtidens superdatorer. 
– Det här projektet kommer att belysa en fysisk effekt som vi inte helt och hållet förstår och samtidigt bana väg för praktiska tillämpningar, säger Simone Gasparinetti, projektledare för forskargruppen från Chalmers tekniska högskola. ​
Superdatorer spelar en allt viktigare roll i samhället. Med superdatorernas förmåga att utföra komplicerade beräkningar kan de komma till stor användning inom en rad olika områden, till exempel för att ta fram väderprognoser, utföra genetisk materialsekvensering eller vid testning av läkemedel mot nya sjukdomar. Nu står dock industrin inför två stora utmaningar som dessutom står i kontrast till varandra: att förbättra de moderna superdatorernas prestanda och samtidigt göra dem mer energi-effektiva. 

Som deltagare i det internationella forskningsnätverket SuperGate (Gate Tuneable Superconducting Quantum Electronics) medverkar nu forskare från Chalmers i ett EU-finansierat projekt som syftar till att skapa en ny grund för framtidens superdatorer. Projektet går ut på att utveckla en överbryggande teknik som kombinerar supraledare med halvledare med hjälp av en metod som ansågs vara fysiskt omöjligt fram till för bara några år sedan. De två tekniksystemen har fram till dess setts som inkompatibla på så vis att halvledare styrs av spänning och fungerar vid rumstemperatur, medan supraledare å andra sidan är ström-baserade och fungerar vid temperaturer på cirka minus 270 grader Celsius, nära absoluta nollpunkten. Att kombinera den kraftfullare och mer energieffektiva supraledartekniken med halvledartekniken är av stort intresse när det gäller utveckling av högpresterande datorer. 

– Det här projektet kommer att belysa en fysisk effekt som vi inte helt och hållet förstår och samtidigt bana väg för praktiska tillämpningar, säger Simone Gasparinetti, projektledare för forskargruppen vid institutionen för Mikroteknik och Nanovetenskap vid Chalmers tekniska högskola. 

En banbrytande upptäckt

SuperGate-projektet samordnas av Universitetet i Konstanz och är finansierat med cirka tre miljoner euro genom ett FET Open Grant (FET: Future and Emerging Technologies) från EU. Idén bakom projektet stammar från en banbrytande upptäckt som tidigare hade gjorts av fysiker vid Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) i Pisa (Italien). De lyckades visa att supraledning i en svag länk kan styras genom att använda spänningar på elektrostatiska grindar, på liknande sätt som halvledande transistorer styrs av fälteffekten. En upptäckt som har potential att revolutionera utvecklingen av superdatorer då den banar väg för en teknik som skulle kunna kombinera fördelarna med halvledare och supraledare. Och upptäckten gick inte obemärkt förbi bland forskarna vid institutionen för Mikroteknologi och Nanovetenskap på Chalmers. 

 När jag såg Pisa-gruppens första resultat för några år sedan blev jag nyfiken och började köra några experiment i vårt labb. Det var mer ett sidoprojekt som drevs med rätt begränsade resurser, och framstegen fick vänta på sig. Men med SuperGate har vi äntligen en möjlighet att ge det en riktig chans, säger Simone. 

Banar väg för framtidens superdatorer

Även om metodens potential för praktiska tillämpningar betraktas som stor, är den bakomliggande fysiska mekanismen kring grindar i supraledare fortfarande höljd i dunkel. Dessutom har kontrollen endast demonstrerats vid låga frekvenser (dc och ljudband), medan de tillämpningar man hoppas på kräver omkoppling vid mycket högre frekvenser (GHz och högre). Huvuduppgiften för Chalmers forskargrupp är nu att undersöka effektens ursprung och testa responsen vid höga frekvenser. För att optimera hastighet och prestanda kommer Chalmers-teamet att testa olika material och geometrier och slutligen utveckla en rad logiska kretsar och kombinera dem med konventionell halvledarteknik.

- Vår uppgift är nu att undersöka de supraledande svaga länkarna vid höga frekvenser. Tack vare vår bakgrund inom rf- och mikrovågsmätningar av supraledande kretsar är vårt team väldigt väl lämpat för att ta sig an den här utmaningen, säger Simone. 

Forskningsnätverket SuperGate utgörs av fyra universitet, ett forskningsinstitut och ett världsledande företag inom supraledande elektronik som tillsammans representerar en mångfald av erfarenheter och kunskap. Och om projektet lyckas ser man stora fördelar för utvecklingen av superdatorer såväl som för kvantdatorer i framtiden.

 Om de här enheterna kan användas vid höga frekvenser ser jag tillämpningsområden inom kvantinformationsbehandling som sträcker sig utanför projektets ursprungliga omfattning. Något som jag tror att mitt team kommer att ha stora möjligheter att utforska. Även om vi tittar på en "klassisk" superdator är materialen som vi undersöker kompatibla med tekniken som WACQT använder för att bygga en kvantdator. Mycket av det vi kommer att lära oss kan vara av intresse för vår kvantteknikdivision och för hela MC2-avdelningen, som har en lång och framgångsrik tradition inom materialvetenskap, konstaterar Simone.

Fakta om forskningsprojektet SuperGate:  

Det internationella forskningsnätverket “Gate Tuneable Superconducting Quantum Electronics” (SuperGate) finansieras genom ett FET Open Grant från EU. 
Finansiering: 3 miljoner euro
Finansieringsperiod: Mars 2021 till augusti 2024
Projektpartners: University of Konstanz, CNR laboratories i Pisa och Salerno, Budapest University of Technology and Economics, Delft University of Technology, Chalmers tekniska högskola, SeeQC-EU (Italien)

Wallenberg Center for Quantum Technology, WACQT, är ett 12-årigt forskningscenter som syftar till att placera Sverige i framkant inom kvantteknologi. Huvudprojektet är att utveckla en avancerad kvantdator. WACQT samordnas från Chalmers och har aktiviteter vid KTH, Lunds universitet, Stockholms universitet, Linköpings universitet och Göteborgs universitet.

Sidansvarig Publicerad: to 20 maj 2021.