الوصول إلى ~400 جيجاهرتز باستخدام المواد فائقة التوصيل: دراسة علمية

١. المقدّمة

تقتصر الحوسبة التقليدية على مقاومة الموصلات عند الترددات العالية، مما يحد من سرعة المعالجات إلى عدة جيجاهرتز. تتيح المواد فائقة التوصيل، بانعدام مقاومتها عند درجات حرارة منخفضة، إنشاء دوائر رقمية فائقة السرعة مع فقد طاقة ضئيل وتشغيل بترددات تتجاوز 400 جيجاهرتز.

٢. المبادئ الفيزيائية

٢.١ تأثير جوزيفسون

تتكون تقاطعات جوزيفسون من طبقة عازلة رقيقة بين موصلين فائقين. يعتمد تيار جوزيفسون على النفق الكمومي للإلكترونات ويخضع للمعادلة:

V = (ħ/2e) dφ/dt

تمكّن هذه العلاقة من توليد نبضات قصيرة جدًا لتبديل البتات الرقمية بسرعات تصل لمئات جيجاهرتز.

٢.٢ منطق RSFQ

يعتمد منطق RSFQ على نبضات مغناطيسية كمية لتمثيل البتات: 1 للنبضة و0 لغيابها. النبضات قصيرة جدًا (ببيكوثانية) مما يتيح تشغيل الدوائر بتردد يصل إلى 400 جيجاهرتز.

٣. التصميم الهندسي

تشمل دوائر RSFQ فائقة التوصيل تقاطعات جوزيفسون، محاثات، مكثفات، وخطوط تيار ثابت. تنتقل النبضات عبر الدائرة لتنشيط عناصر أخرى بسرعات فائقة.

٤. التطبيقات العملية

• معالجات فائقة السرعة للحوسبة عالية الأداء

• مستشعرات دقيقة للراديو والموجات الميكروويف

• واجهات للحوسبة الكمومية فائقة التوصيل

٥. التحديات

التحديالشرحدرجة الحرارة المنخفضةالحاجة لتبريد ~4 كلفن باستخدام الهيليوم أو أنظمة كريوجينيةتكلفة التصنيعتصنيع تقاطعات دقيقة مكلفالتكاملالحاجة لواجهات مع دوائر CMOSالضوضاء الكموميةالنبضات القصيرة جدًا تتأثر بالضوضاء

٦. الخلاصة

يمكن للدوائر فائقة التوصيل باستخدام منطق RSFQ وتقاطعات جوزيفسون تحقيق ترددات تشغيل تصل إلى 400 جيجاهرتز، متفوقة على CMOS التقليدية في السرعة والكفاءة الطاقية. هذه الدوائر مثالية للحوسبة الكلاسيكية فائقة السرعة، لكنها تتطلب تبريدًا متقدمًا وتصنيعًا دقيقًا.

المراجع

1. K. K. Likharev, Superconducting Digital Electronics, Physica C 482, 6–18 (2012).

2. Likharev, K. K., & Semenov, V. K., RSFQ logic/memory family, IEEE Trans. Appl. Supercond., 1(1), 3–28 (1991).

3. Tolpygo, S. K., Superconductor digital electronics: Scalability and energy efficiency issues, Superconductor Science and Technology, 27(4), 044003 (2014).

تم التحضير: 20 سبتمبر 2025