دانشمندان حافظه هایی صدها برابر سریعتر مبتنی بر ابررساناها ساختند

دانشمندان روسی سلولهای حافظه ی جدیدی مبتنی بر ابررساناها ساخته اند که قادرند با سرعتی صدها برابر حافظه های معمول امروز کار کنند. اصل حاکم بر این حافظه ها اثر کوانتومی ساندویچهای ابررسانا (دی الکتریک – ابررسانا) که به آنها پیوندهای جوزفسونی می گویند است.

طبق مقاله ای که در نشریه ی “مقالات فیزیک کاربردی” به چاپ رسیده است گروهی از دانشمندان در موسسه ی فیزیک و فن آوری مسکو و دانشگاه ایالتی مسکو روشی نوین برای تولید سلولهای حافظه ی مبتنی بر ابررساناها ابداع نموده اند که حافظه های ساخته شده به این روش صدها برابر سریعتر از حافظه های کنونی کار می کنند.

نویسنده ی مقاله الکساندر گلوبوف (که مدیر آزمایشگاه پدیده های توپولوژیکی کوانتوم در سیستمهای ابررسانای موسسه ی فیزیک و فن آوری مسکو هم هست) می گوید: “با تابع عملکردی که در این باتریها گنجانده ایم دیگر نیازی به مغناطیسی کردن ها و دی مغناطیسی کردنهای زمان بر باتری نداریم و نتیجتاً فرآیند خواندن و نوشتن تنها چند صد پیکوثانیه طول می کشد (بسته به مواد باتری و شکل خاص آنها) در حالیکه روشهای معمول صدها یا هزاران بار آهسته تر هستند.”

گلوبوف و همکارانش پیشنهاد داده اند سلولهای ابتدایی حافظه به شکل ساندویچهای ابررسانا – دی الکتریک (یا عایقهای دیگر) ابررسانا و مبتنی بر اثر کوانتومی ساخته شوند. کاربرد این ساندویچها توسط فیزیکدان انگلیسی بریان جوزفسون در دهه ی 60 قرن میلادی گذشته پیش بینی شد. الکترونها در این ساندویچها (که به آنها پیوندهای جوزفسون هم گفته می شود)قادرند تونلی از یک لایه ابررسانا به دیگری بزنند و مانند گذشتن توپ از میان دیواری متخلخل از میان دی الکتریک بگذرند.

امروزه پیوندهای جوزفسون هم در ابزارهای کوانتومی و هم ابزارهای معمولی استفاده می گردند. برای نمونه کوبیتهای ابررسانایی را برای ساخت سیستمهای کوانتومی موج D استفاده می کنند. این کوبیتها می توانند کمینه های توابع پیچیده را با استفاده از الگوریتم تابش کوانتومی بیابند. همچنین مبدلهای بسیار سریع آنالوگ به دیجیتال، ابزارهای یافتن رخدادهای پیاپی، و دیگر سیستمهایی که نیاز به سرعت زیادی در دسترسی به حجم زیادی از حافظه ندارند هم از این فن آوری استفاده می کنند. تلاشهایی هم شده تا از پیوند جوزفسون در ساخت پردازنده های معمولی استفاده شود. یک پردازنده ی آزمایشی از این نوع در اواخر دهه ی 80 میلادی در ژاپن ساخته شد. در سال 2014 آژانس تحقیقاتی یاپرا (IAPRA) تلاشهای مجددی را برای ساخت نمونه ای ازرایانه های ابررسانا آغاز نمود.

پیوندهای جوزفسون با استفاده از فرومغناطیس به جای دی الکتریک در میان ساندویچ بیشترین اقبال را در دوران کنونی یافته اند. در عناصر حافظه ای که مبتنی بر فرومغناطیسها هستند اطلاعات در جهت بردار میدان مغناطیسی و روی فرو مغناطیس رمزنگاری می شوند. با این وجود دو مشکل در این میان وجود خواهد داشت: اول اینکه با چگالی پایین عناصر حافظه ی “بسته بندی شده”  نیاز به زنجیره های بیشتری از عناصر داریم تا با اضافه کردن آنها بار اضافی مورد نیازسلولها در زمان خواندن و نوشتن داده ها را تامین کنیم و دوم اینکه بردار مغناطیسی کردن را نمی توان بسرعت تغییر داد و نتیجتاً سرعت نوشتن روی حافظه کاهش می یابد.

گروهی از فیزیکدانهای موسسه ی فیزیک و فن آوری مسکو و دانشگاه ایالتی مسکو پیشنهاد دادند داده ها در سلولهای جوزفسون به شکل مقدار جریان جاری در ابررساناها رمزنگاری شوند. با مطالعه ی اتصال ابررسانا-فلز معمولی/فرومغناطیس-ابررسانا-عایق-ابررسانا دانشمندان دریافتند در ابعاد طولی و عرضی لایه های سیستم ممکن است دو انرژی کمینه داشته باشند. یعنی در واقع سیستم در یک تا دو وضعیت متفاوت قرار خواهد داشت. این دو مقدار کمینه برای ثبت داده های صفر و یک به کار می روند.

برای اینکه سیستم را از حالت صفر به یک ببریم و برگردانیم دانشمندان استفاده از تزریق جریان از طریق یکی از لایه های ابررسانا را پیشنهاد می دهند. به گفته ی آنها باید ابتدا وضعیت را با استفاده از جریان جاری در کل ساختار خواند. این دو کار صدها بار سریعتر از اندازه گیری مدت زمان لازم برای مغناطیسی و غیر مغناطیسی شدن فرومغناطیس انجام می پذیرد.

گلوبوف سخن را اینگونه به پایان می برد: “”علاوه بر اینها، روش ما تنها نیاز به یک لایه ی فرومغناطیس دارد که به معنای آن است که میتوان آنرا با مدارهای معروف به منطق کوانتومی شار منفرد هماهنگ نمود. بدین ترتیب نیازی به معماری جدیدی برای پردازنده نخواهد بود. رایانه ای که بر مبنای منطق کوانتومی شار منفرد باشد سرعت کلاکش چند صد گیگاهرتز خواهد بود و مصرف انرژیش هم بسیار پایین تر خواهد بود.”

منبع: Science Daily