Flujo cuántico rápido de un solo flujo

Tipo de dispositivo electrónico digital

En electrónica , la lógica cuántica de flujo único rápido ( RSFQ ) es un dispositivo electrónico digital que utiliza dispositivos superconductores , a saber, uniones Josephson , para procesar señales digitales. En la lógica RSFQ, la información se almacena en forma de cuantos de flujo magnético y se transfiere en forma de pulsos de voltaje cuántico de flujo único (SFQ). RSFQ es una familia de lógica superconductora o SFQ . Otras incluyen lógica cuántica recíproca (RQL), ERSFQ, versión RSFQ energéticamente eficiente que no utiliza resistencias de polarización, etc. Las uniones Josephson son los elementos activos para la electrónica RSFQ, al igual que los transistores son los elementos activos para la electrónica de semiconductores. RSFQ es una tecnología digital clásica, no de computación cuántica .

RSFQ es muy diferente de la tecnología de transistores CMOS utilizada en las computadoras convencionales:

• Los dispositivos superconductores requieren temperaturas criogénicas .
• Los pulsos de voltaje SFQ de duración de picosegundos producidos por las uniones Josephson se utilizan para codificar, procesar y transportar información digital en lugar de los niveles de voltaje producidos por transistores en la electrónica de semiconductores.
• Los pulsos de voltaje SFQ viajan por líneas de transmisión superconductoras que tienen una dispersión muy pequeña y generalmente insignificante si ningún componente espectral del pulso está por encima de la frecuencia de la brecha de energía del superconductor.
• En el caso de pulsos SFQ de 1 ps, es posible cronometrar los circuitos a frecuencias del orden de 100 GHz (un pulso cada 10 picosegundos).

Un pulso SFQ se produce cuando el flujo magnético a través de un bucle superconductor que contiene una unión Josephson cambia en un cuanto de flujo, Φ _0, como resultado de la conmutación de la unión. Los pulsos SFQ tienen un área cuantificada ʃ V ( t ) dt = Φ ₀ ≈2,07 × 10 ⁻¹⁵  Wb = 2,07 mV⋅ps = 2,07 mA⋅pH debido a la cuantificación del flujo magnético , una propiedad fundamental de los superconductores. Dependiendo de los parámetros de las uniones Josephson, los pulsos pueden ser tan estrechos como 1  ps con una amplitud de aproximadamente 2 mV, o más amplios (por ejemplo, 5-10 ps) con una amplitud correspondientemente menor. El valor típico de la amplitud del pulso es aproximadamente 2 I _c R _n , donde I _c R _n es el producto de la corriente crítica de la unión, I _c , y la resistencia de amortiguamiento de la unión, R _n . Para la tecnología de unión basada en Nb, I _c R _n es del orden de 1 mV.

Ventajas

• Interoperable con circuitos CMOS, tecnología de microondas e infrarrojos.
• Frecuencia de funcionamiento extremadamente rápida: desde unas pocas decenas de gigahercios hasta cientos de gigahercios
• Bajo consumo de energía : aproximadamente 100.000 veces menor que los circuitos semiconductores CMOS , sin tener en cuenta la refrigeración.
• La tecnología de fabricación de chips existente se puede adaptar para fabricar circuitos RSFQ
• Buena tolerancia a las variaciones de fabricación.
• Los circuitos RSFQ son esencialmente auto-relojizables , lo que hace que los diseños asincrónicos sean mucho más prácticos.

Desventajas

• Requiere refrigeración criogénica . Tradicionalmente, esto se ha logrado utilizando líquidos criogénicos como nitrógeno líquido y helio líquido . Más recientemente, los refrigeradores criogénicos de ciclo cerrado, por ejemplo, los refrigeradores de tubo de pulso, han ganado una considerable popularidad ya que eliminan los líquidos criogénicos que son costosos y requieren una recarga periódica. La refrigeración criogénica también es una ventaja ya que reduce el ruido térmico del entorno de trabajo .
• Los requisitos de refrigeración se pueden relajar mediante el uso de superconductores de alta temperatura . Sin embargo, hasta la fecha solo se han logrado circuitos RFSQ de muy baja complejidad utilizando superconductores de alta T _c . Se cree que las tecnologías digitales basadas en SFQ se vuelven imprácticas a temperaturas superiores a ~ 20 K – 25 K debido a las tasas de error de bit que aumentan exponencialmente (conmutación de unión inducida térmicamente) causada por la disminución del parámetro E _J / k _B T con el aumento de la temperatura T , donde E _J = I _c Φ ₀ /2π es la energía de Josephson .
• Una de las desventajas era la disipación de potencia estática, que suele ser entre 10 y 100 veces mayor que la potencia dinámica necesaria para realizar operaciones lógicas. Sin embargo, la disipación de potencia estática se eliminó en la versión ERSFQ de RSFQ mediante el uso de inductores superconductores y uniones Josephson en lugar de resistencias de polarización, la fuente de la disipación de potencia estática.

Aplicaciones

• Dispositivos de conmutación de redes ópticas y otras de alta velocidad
• Procesamiento de señales digitales , hasta señales de banda X y más allá
• Enrutadores ultrarrápidos
• Radio definida por software (SDR)
• Convertidores analógico-digitales de alta velocidad
• Ordenadores criogénicos de alto rendimiento ^{[1] [2]}
• Circuitos de control para qubits superconductores y circuitos cuánticos

Véase también

• La lógica superconductora incluye familias lógicas más nuevas con mejor eficiencia energética que RSFQ.
• Parámetro de flujo cuántico , una tecnología lógica digital relacionada.

Referencias

1. Yerosheva, Lilia Vitalyevna; Peter M. Kogge (abril de 2001). "Prototipado de alto nivel para la máquina de petaflops HTMT (2001)". Departamento de Ciencias Informáticas e IngenieríaNotre Dame, Indiana. CiteSeerX  10.1.1.23.4753 . {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
2. Bunyk, Paul, Mikhail Dorojevets, K. Likharev y Dmitry Zinoviev. "Subsistema RSFQ para computación en petaFLOPS HTMT". Informe técnico HTMT 3 de Stony Brook (1997).

Lecturas

• Evaluación de tecnología superconductora, estudio de RSFQ para aplicaciones informáticas, realizado por la NSA (2005).

Enlaces externos

• Una introducción a los conceptos básicos y enlaces a más información en la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook .
• KK Likharev y VK Semenov, Familia de lógica/memoria RSFQ: una nueva tecnología de unión Josephson para sistemas digitales con frecuencias de reloj de sub-terahercios. IEEE Trans. Appl. Supercond. 1 (1991), 3. doi:10.1109/77.80745
• AH Worsham, JX Przybysz, J. Kang y DL Miller, " Un conmutador y demultiplexor cuántico de barra cruzada de flujo único ", IEEE Trans. on Appl. Supercond., vol. 5, págs. 2996–2999, junio de 1995.
• Estudio de viabilidad de conmutadores digitales sin bloqueo y con enrutamiento automático basados ​​en RSFQ (1996)
• Problemas de diseño en la red de conmutación Batcher-Banyan de superconductores ultrarrápidos y de consumo ultrabajo basada en la familia de memoria/lógica RSFQ (1997)
• Un esquema de distribución de reloj para circuitos RSFQ de gran tamaño (1995)
• Circuitos digitales de unión Josephson: desafíos y oportunidades (Feldman 1998) Archivado el 23 de septiembre de 2015 en Wayback Machine
• Circuitos integrados superconductores: la segunda generación de 100 GHz // IEEE Spectrum, 2000