Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Χονγκ Κονγκ (HKU) αποκάλυψαν μια σημαντική ανακάλυψη στα κρυογονικά ηλεκτρονικά που θα μπορούσε να ξεπεράσει βασικές προκλήσεις στον κβαντικό υπολογισμό και να βοηθήσει μελλοντικές αποστολές στο βαθύ διάστημα. Η ομάδα από το Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του HKU και το Κέντρο Προηγμένων Ημιαγωγών και Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων (CASIC) ανέπτυξε μια προγραμματιζόμενη νευρομορφική πλατφόρμα υλικού ικανή να λειτουργεί σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.
Επικεφαλής της έρευνας ήταν ο καθηγητής Yuhao Zhang και ο διδακτορικός φοιτητής Jin Yang. Η εργασία τους εισάγει μια νέα μέθοδο για τη δημιουργία και τον έλεγχο της αρνητικής διαφορικής αντίστασης (NDR) σε βιομηχανικά πρότυπα MOSFET καρβιδίου του πυριτίου (SiC). Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι ερευνητές έδειξαν για πρώτη φορά ότι ένα μόνο τρανζίστορ μπορεί να αναπαράγει την ενεργειακά αποδοτική δραστηριότητα «αιχμής» των βιολογικών νευρώνων σε θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο 10 mK.
Υλικό εμπνευσμένο από τον εγκέφαλο για κβαντικούς υπολογιστές
Οι κβαντικοί υπολογιστές βασίζονται σε εξελιγμένα ηλεκτρονικά ελέγχου για τη λειτουργία των qubits, τα οποία είναι εξαιρετικά ευαίσθητα και πρέπει να διατηρούνται σε θερμοκρασίες millikelvin. Τα υπάρχοντα συστήματα ελέγχου με βάση το πυρίτιο καταναλώνουν σημαντική ισχύ και παράγουν ανεπιθύμητη θερμότητα, απαιτώντας τη διατήρησή τους μακριά από το ίδιο το qubit. Αυτή η απόσταση δημιουργεί εκτεταμένες απαιτήσεις καλωδίωσης που μπορεί να παρεμποδίσουν την απόδοση και να κάνουν πιο δύσκολη την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας.
«Η δουλειά μας εισάγει μια πλατφόρμα υλικού που μπορεί να ενσωματωθεί με κβαντικούς επεξεργαστές», δήλωσε ο καθηγητής Zhang. «Χρησιμοποιώντας τη μοναδική δυναμική φορέα στο καρβίδιο του πυριτίου, μπορούμε να δημιουργήσουμε κυκλώματα που είναι χιλιάδες φορές πιο ενεργειακά αποδοτικά από τα συμβατικά ηλεκτρονικά, μειώνοντας σημαντικά το θερμικό φορτίο στα κρυογονικά συστήματα».
Το καρβίδιο του πυριτίου παρουσιάζει μοναδική κρυογονική συμπεριφορά
Η ομάδα διαπίστωσε ότι τα SiC MOSFET εμφανίζουν ισχυρό φαινόμενο NDR σε σχήμα S όταν ψύχονται κάτω από 2K. Αυτή η συμπεριφορά καθοδηγείται από τον ιονισμό με επίδραση ηλεκτρονίων (EDII). Σε αντίθεση με άλλες τεχνολογίες που βασίζονται στη θερμότητα που παράγεται μέσα σε μια συσκευή, η νέα διαδικασία παρατήρησης προέρχεται απευθείας από τις ατομικές ιδιότητες του υλικού. Ως αποτέλεσμα, παραμένει εξαιρετικά σταθερό και μπορεί να αναπαραχθεί με συνέπεια σε διαφορετικές παρτίδες παραγωγής.
«Είναι μια ισχυρή και επεκτάσιμη προσέγγιση», είπε ο κ. Yang. «Επειδή το SiC χρησιμοποιείται ήδη παγκοσμίως σε ηλεκτρικά οχήματα και δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, μπορούμε να αξιοποιήσουμε τα υπάρχοντα βιομηχανικά χυτήρια για να παράγουμε αυτά τα κρυογονικά τσιπ σε γκοφρέτες 300 mm».
Από τεχνητούς νευρώνες μέχρι αποστολές στο βαθύ διάστημα
Η έρευνα έδειξε επίσης ότι αυτοί οι τεχνητοί νευρώνες μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους, ή να «διασπαστούν» σε μεγαλύτερα δίκτυα. Αυτή η δυνατότητα θα μπορούσε να επιτρέψει την προηγμένη τοπική επεξεργασία δεδομένων σε κρυογονικές θερμοκρασίες και να βελτιώσει σημαντικές λειτουργίες κβαντικού υπολογισμού, όπως η διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων και ο κβαντικός έλεγχος σε πραγματικό χρόνο.
Οι πιθανές εφαρμογές εκτείνονται πέρα από τον κβαντικό υπολογισμό. Επειδή τα κυκλώματα έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν αξιόπιστα σε εξαιρετικά κρύα περιβάλλοντα, θα μπορούσαν επίσης να είναι πολύτιμα για την εξερεύνηση του διαστήματος σε βάθος. Τα μελλοντικά συστήματα μπορεί να είναι σε θέση να λειτουργούν στις σκληρές συνθήκες που βρίσκονται στην επιφάνεια του φεγγαριού ή στις μακρινές περιοχές του ηλιακού μας συστήματος.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται Επικοινωνία με τη φύση Σε μια εργασία με τίτλο “Κρυογονικά νευρομορφικά κυκλώματα που χρησιμοποιούν ελεγχόμενη από πύλη αρνητική διαφορική αντίσταση στο καρβίδιο του πυριτίου.”
