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SuperGate: Technologie für den Supercomputer von morgen | PI Nr. 22/2021

SuperGate: Technologie für den Supercomputer von morgen | PI Nr. 22/2021
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Die Brücke zwischen Supraleiter- und Halbleitertechnologie

Internationaler Forschungsverbund SuperGate unter Federführung der Universität Konstanz schafft eine Schnittstelle zwischen Supraleitern und Halbleitern für künftige Supercomputer – Förderung durch einen FET Open Grant der Europäischen Union

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english version below

Die nächste Generation an Supercomputern – darunter Quantencomputer – steht vor entscheidenden Herausforderungen: Die Hochleistungsrechner von morgen stoßen bei der Miniaturisierung der Bauteile an die Grenzen der Physik, sie müssen zugleich energiesparender gestaltet sein und sollen immer leistungsfähiger werden. Der internationale Forschungsverbund SuperGate unter Federführung der Universität Konstanz erarbeitet hierfür eine neue Grundlage: Die Forschenden entwickeln eine Technologie, die Supraleiter- mit der bestehenden Halbleitertechnologie kombiniert – mit einem methodischen Ansatz, der bis vor wenigen Jahren noch als physikalisch unmöglich galt. „Wir erschließen hier komplettes wissenschaftliches Neuland“, spricht der Konstanzer Physiker Prof. Dr. Angelo Di Bernardo, der gemeinsam mit Prof. Dr. Wolfgang Belzig und Prof. Dr. Elke Scheer das Konstanzer Team des internationalen Forschungsverbunds bildet. Das Forschungsprojekt wird mit einem FET Open Grant (FET: Future and Emerging Technologies) der Europäischen Union in Höhe von rund 3 Millionen Euro gefördert.

„Elektronische Schaltungen aus Supraleitern und Halbleitern beruhen auf gänzlich unterschiedlichen Konzepten“, schildert Elke Scheer: Halbleiterschaltungen werden durch elektrische Spannung gesteuert und operieren bei Raumtemperatur. Supraleitende Schaltkreise hingegen basieren auf verlustfreiem elektrischem Strom und arbeiten bei Temperaturen von rund -270 Grad Celsius, nahe dem absoluten Nullpunkt. In der Entwicklung von Hochleistungsrechnern besteht ein hohes Interesse daran, die leistungsstärkere und energiesparende Supraleitertechnologie mit der bestehenden Haltleitertechnologie zu verbinden. Bis vor wenigen Jahren galten beide Ansätze jedoch als nicht vereinbar.

Eine wegweisende Entdeckung

Im Jahr 2018 erfolgte eine wegweisende Entdeckung: Physiker des Istituto Nanoscienze CNR am Laboratorio NEST – Scuola Normale Superiore in Pisa (Italien) wiesen nach, dass es möglich ist, die eigentlich strombasierten Supraleiter auch durch Spannung zu steuern. „Der grundlegende Nachweis wurde erbracht, doch wie genau und warum es funktioniert, ist noch immer nicht ganz klar“, erklärt Angelo Di Bernardo. „Nun geht es uns darum, den zugrundeliegenden physikalischen Mechanismus aufzuklären. Wenn wir diesen Mechanismus und die dahinterliegenden Prinzipien verstehen, können wir ihn steuern und für technische Anwendungen nutzbar machen.“

Diese fundamentale Entdeckung öffnet die Tür für eine Technologie, die Supraleiter mit Halbleitern verknüpft. „Das Ziel ist, leistungsstarke Supraleiter-Systeme zu entwickeln, die sich so steuern lassen, als wären sie Halbleiter, um die Vorteile aus beiden Welten zu vereinen“, unterstreicht Elke Scheer.

Vier Schritte zum Ziel

Das internationale Kooperationsprojekt verläuft in vier Schritten: „Erstens werden wir die physikalischen Grundlagen aufklären, wie Supraleiter durch Spannung kontrolliert werden können“, zählt Angelo Di Bernardo auf. „Zweitens erforschen wir, welches die besten Materialien für technische Anwendungen sind. Drittens werden wir unsere Konzepte in einem Prototypen implementieren. Unser viertes und finales Ziel ist schließlich, diese neue Supraleitertechnologie in einen Schaltkreis zu integrieren, der mit konventioneller Halbleitertechnologie interagiert.“

FET Open Grant

Das Forschungsprojekt unter Koordination von Elke Scheer und unter Beteiligung von Angelo Di Bernardo und dem theoretischen Physiker Wolfgang Belzig wird durch einen FET Open Grant gefördert. Mit diesem hochkompetitiven Förderprogramm unterstützt die Europäische Union unkonventionelle neue Forschungsideen, die auf fundamentale Durchbrüche für neue Technologien abzielen. Neben der Universität Konstanz und dem Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) mit den Standorten Pisa und Salerno sind an diesem Projekt die Technische und Wirtschaftswissenschaftliche Universität Budapest, die Technische Universität Delft, die Chalmers University of Technology in Göteborg sowie Industriepartner in Italien beteiligt.

Faktenübersicht:

  • Förderung des internationalen Forschungsverbundes „Gate Tuneable Superconducting Quantum Electronics“ (SuperGate) durch einen FET Open Grant der Europäischen Union.
  • Förderhöhe: rund 3 Millionen Euro
  • Förderdauer: März 2021 bis August 2024
  • Projektkoordination: Prof. Dr. Elke Scheer, Universität Konstanz
  • Thema: Erforschung des physikalischen Mechanismus, wie Supraleiter durch elektrische Spannung kontrolliert werden können, mit dem Ziel der Entwicklung einer Brückentechnologie zwischen Supraleiter- und Halbleitertechnologie für künftige Supercomputer.
  • Projektpartner: Universität Konstanz, CNR Pisa und Salerno, Technische Universität Delft, Chalmers University of Technology in Göteborg, Technische und Wirtschaftswissenschaftliche Universität Budapest, SeeQC-EU (Italien)

Hinweis an die Redaktionen:

Ein Foto kann im Folgenden heruntergeladen werden:

https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2021/die_bruecke.jpg

Bildunterschrift: Detailaufnahme eines Entmischungskryostaten, mit dem Messungen im Tieftemperaturbereich bei rund -273 Grad Celsius vorgenommen werden.

Bild: Universität Konstanz

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Bridging superconductor and semiconductor technology

International research network SuperGate spearheaded by the University of Konstanz creates an interface between superconductors and semiconductors for future supercomputers – funded through an FET Open Grant of the European Union

The next generation of supercomputers – including quantum computers – is at a crucial point: Tomorrow's high-performance computers are at their physical limit in terms of miniaturization of their components; at the same time, they must be more energy-efficient and increase in performance. In this context, the international research network SuperGate coordinated by the University of Konstanz is creating a new basis: The researchers are developing a bridging technology that combines superconductor technology with semiconductor technology, using an approach that was considered physically impossible until just a few years ago. “We are opening a completely new scientific field here”, says Prof. Angelo Di Bernardo, a physics professor in Konstanz, who jointly with Prof. Wolfgang Belzig and Prof. Elke Scheer forms the Konstanz team of the international research network. The research project is funded with around 3 million euros through an FET Open Grant (FET: Future and Emerging Technologies) of the European Union.

“Superconductor technology and semiconductor technology rely on completely different concepts”, explains Elke Scheer: Semiconductors are controlled by voltage and operate at room temperature. Superconductors, on the other hand, are based on current and operate at temperatures of around -270 degree centigrade, near absolute zero. It is of great interest in high-performance computer development to combine the more powerful and more energy-efficient superconductor technology with existing semiconductor technology. Until a few years ago, however, both systems were considered incompatible.

A path-breaking discovery

In 2018 researchers made a path-breaking discovery: Physicists at the Istituto Nanoscienze CNR at NEST – Scuola Normale Superiore in Pisa (Italy) demonstrated that it was also possible to use voltage to control the current in superconductors. “The basic proof was provided, but how exactly and why this works is still not entirely clear”, says Angelo Di Bernardo. “Now we need to detect the underlying physical mechanism. If we understand that mechanism and the principles behind it, we can control it and use it for technical applications.”

This fundamental discovery paves the way for hybrid computing platforms that combine superconductor with semiconductor technology. “Our aim is to design high-performance superconducting circuits that can be operated as if they were based on semiconductor technologies – and thus combine the advantages of both systems”, underlines Elke Scheer.

Four steps to achieve the goal

The international project cooperation includes four steps: “Firstly, we will shed light onto the physical mechanism that makes it possible to control the state of a superconducting material via the application of a voltage”, specifies Angelo Di Bernardo. “Secondly, we will research which are the best materials for technical applications. The third step will be to implement our concepts in a prototype device, and our fourth and final goal is to integrate this new superconductor technology in an electric circuit which interacts with conventional semiconductor technology.”

FET Open Grant

The collaborative research project, which is coordinated by Elke Scheer and which is jointly performed with Angelo Di Bernardo and Wolfgang Belzig, is funded through an FET Open Grant. With this highly competitive funding programme, the EU supports the early stages of new ideas towards the development of radically new future technologies. Alongside the University of Konstanz and the CNR laboratories at Pisa and Salerno, also the Budapest University of Technology and Economics, the Delft University of Technology and the Chalmers University of Technology at Gothenburg as well as partners from industry (SeeQC) in Italy are involved in the project.

Key facts:

  • The international research network “Gate Tuneable Superconducting Quantum Electronics” (SuperGate) is funded through an FET Open Grant of the European Union.
  • Funding sum: around 3 million euros
  • Funding period: March 2021 to August 2024
  • Project coordination: Professor Elke Scheer, University of Konstanz
  • Topic: Researching the physical mechanism of how voltage can be used to control superconductors, with the goal of developing an interfacing technology between superconductor and semiconductor technology for future supercomputers.
  • Project partners: University of Konstanz, CNR laboratories at Pisa and Salerno, Budapest University of Technology and Economics, Delft University of Technology, Chalmers University of Technology at Gothenburg, SeeQC-EU (Italy)

Note to editors:You can download a photo here:

https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2021/die_bruecke.jpg

Caption: Insight view of a dilution refrigerator in which measurements at very low temperature (around -273 degree centigrade) take place.

Copyright: University of Konstanz

Kontakt:
Universität Konstanz
Kommunikation und Marketing
Telefon: + 49 7531 88-3603
E-Mail: kum@uni-konstanz.de

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