Kiertoelimiä mikropiiritekniikalla

Mikrofotografia Columbia Engineeringin mikropiiritasoisesta kiertoelimestä, joka yltää wattitason tehon ohjailuun.

Vastavuoroisuuden rikkominen mahdollistaa rakentaa "yksisuuntaisia" komponentteja, kuten kiertoelimiä ja isolaattoreita, jotka mahdollistavat samanaikaisen kaksisuuntaisen viestinnän, mikä voisi tuplata langattomien verkkojen siirtokapasiteetin.

Nämä komponentit ovat välttämättömiä myös kvanttitietokoneille, joissa halutaan lukea kubitteja niitä häiritsemättä. Ne ovat myös kriittisiä erilaisille tutkajärjestelmille.

Sähkötekniikan professori Harish Krishnaswamyn johtama ryhmä on rakentanut korkean suorituskyvyn ei-vastavuoroisen laitteen kompaktille sirulle, jonka suorituskyky on 25 kertaa parempi kuin heidän aiemmassa työssä.

"Jotta näitä kiertoelimiä voidaan käyttää käytännöllisissä sovelluksissa, niiden on kyettävä käsittelemään myös wattien tehoa", sanoo Krishnaswamy, jonka tutkimus keskittyy integroidun elektronisen tekniikan kehittämiseen uusiin korkeataajuisiin langattomiin sovelluksiin.

Nyt olemme keksineet, kuinka rakentaa tämä teholuokan yksisuuntaiset laitteet kompakteiksi siruiksi, jolloin niistä voi tulla pieniä, edullisia ja laajasti käyttöön otettavia. Perinteisesti vastaavat piirit tehdään kompleksista tai kookkaista materiaaleista.

Tutkimustyössään Krishnaswamyn ryhmä on keskittynyt aikavaihteleviin piireihin, erityisesti kellosignaalin ohjaamiin piireihin, joiden on osoitettu saavuttavan ei-vastavuoroiset vasteet.

Alkuperäinen löytö tehtiin vuonna 2017 kun tohtoritukija Negar Reiskarimian kokeili uuden tyyppistä piiriä, nimeltään N-polkusuodatin. Hän yritti rakentaa erityyppistä duplekseria ja kokeiluissaan hän yhdisti sen silmukkaan ja näki tämän ei-vastakkaisen kiertokäyttäytymisen.

"Aluksi emme uskoneet näkemäämme ja olimme vakuuttuneita siitä, että simulaattori oli rikki", Krishnaswamy sanoo. "Mutta aikamme asiaa pähkäiltyämme, huomasimme, että tämä oli jotain uutta ja todella suurta."

Viimeisen neljän vuoden aikana Krishnaswamyn ryhmä on keskittynyt ensisijaisesti ei-vastavuoroisiin sovelluksiin langattomissa sovelluksissa, kuten langattoien kaksisuuntaiset duplekserit.

Nyt kun he ovat kehittäneet tämän lupaavan uuden pienen sirun, he kiinnittävät huomionsa kvanttilaskentaan, jossa myös tarvitaan kiertoelimiä ja isolaattoreita lukemaan kubitteja niitä häiritsemättä.

Kryogeenisissä kvanttitietokoneissa käytetään tällä hetkellä magneettisia kiertoelimiä ja isolaattoreita mutta ne ovat kookkaita ja kalliita.

Krishnaswamyn ryhmä tutkii suprajohtavien Josephson Junctions -tekniikoiden käyttämistä, samaa tekniikkaa, jota käytettiin kubitin valmistukseen, sirukokoisten kryogeenisten kiertoelimien toteuttamiseksi, jotka voidaan integroida suoraan kubitteihin, vähentämään siten dramaattisesti kustannuksia ja kokoa.

Aiheesta aiemmin:

Radion kiertoelin mikropiirille

Reititin sähkömagneettisille aalloille

Avainkomponentti skaalata kvanttilaskentaa