Novel Devices for Delay-insensitive Superconducting AND Gate

Nonostante i significativi progressi nella tecnologia dei semiconduttori attraverso l'integrazione 3D e le architetture di calcolo parallelo, le sfide fondamentali legate al consumo energetico e alla frequenza operativa persistono nei sistemi di calcolo tradizionali. In questo lavoro, presentiamo un nuovo paradigma computazionale basato sulla manipolazione dei vortici di Abrikosov in film sottili di niobio (Nb), operante nel regime superconduttivo tra 3K e 6.5K, dimostrando caratteristiche di prestazione straordinarie che superano le tecnologie computazionali esistenti. La nostra tecnologia raggiunge un consumo energetico ultra-ridotto di 10^-3 mW per gate, operando a frequenze comprese tra 100 e 1000 GHz con velocità di commutazione di circa 10 picosecondi. Attraverso un'analisi sperimentale approfondita di diverse architetture di dispositivi, dimostriamo che configurazioni simmetriche, adottando 4 Giunzioni di Josephson, in strutture a base di niobio, ottimizzano il controllo dei vortici e la stabilità operativa. L'implementazione di un set logico completo (AND, OR, NOT) tramite la manipolazione dei vortici di Abrikosov dimostra le potenzialità di questa tecnologia come una piattaforma valida per sistemi computazionali complessi. Inoltre, la configurazione geometrica e la natura quantistica dei vortici di Abrikosov consentono di realizzare un'architettura Logic-in-Memory (LIM) efficiente. Questo lavoro rappresenta un progresso significativo nell'elettronica superconduttiva, offrendo nuove possibilità per interfacce di calcolo quantistico e sistemi computazionali di nuova generazione, dove le limitazioni di altre tecnologie (i.e. Microplasmonica, Quantum Dots, RSFQ) in termini di velocità, consumo energetico e miniaturizzazione rimangono vincoli difficili da superare.