Kryogeenista elektroniikkaa kvanttilaskentaan ja avaruuteen

Hongkongin yliopiston (HKU) tutkijat ovat saavuttaneet merkittävän läpimurron kryogeenisessä elektroniikassa.

Tiimi on kehittänyt ohjelmoitavan neuromorfisen piirialustan, joka toimii lähellä absoluuttista nollapistettä, mikä tarjoaa potentiaalisen ratkaisun kvanttitietokoneiden skaalaamiseen ja syvän avaruuden tutkimuksen mahdollistamiseksi.

Professori Yuhao Zhangin ja tohtoriopiskelija Xin Yangin johtama tiimi on löytänyt innovatiivisen tavan tuottaa ja ohjata negatiivista differentiaaliresistanssia (NDR) teollisuusstandardien mukaisissa piikarbidi-MOSFET-transistoreissa. He ovat ensimmäistä kertaa osoittaneet, että yksi transistori voi jäljitellä biologisten neuronien energiatehokasta "piikkikäyttäytymistä" jopa 10 mK:n lämpötiloissa.

Nykyaikaiset kvanttitietokoneet käyttävät monimutkaista elektroniikkaa kubittien ohjaamiseen, jotka ovat erittäin herkkiä ja joita on pidettävä millikelvinin lämpötiloissa. Nykyiset piipohjaiset ohjaimet tuottavat liikaa lämpöä ja kuluttavat paljon virtaa, mikä pakottaa ne sijoittamaan kauas kubiteista. Tämä erottelu luo johdotuksen pullonkaulan, joka rajoittaa kvanttijärjestelmien skaalautuvuutta ja suorituskykyä.

”Työmme esittelee piiritekniikan, joka voidaan integroida kvanttiprosessorien rinnalle”, professori Zhang sanoo. ”Käyttämällä piikarbidin ainutlaatuista varauksenkuljettajien dynamiikkaa voimme luoda piirejä, jotka ovat tuhansia kertoja energiatehokkaampia kuin perinteinen elektroniikka, mikä vähentää merkittävästi kryogeenisten järjestelmien lämpökuormitusta.”

Tutkijat havaitsivat, että kun piikarbidi-MOSFETit jäähdytetään alle 2 K:n lämpötilaan, ne osoittavat voimakasta ”S-muotoista” NDR-käyttäytymistä, jota elektronidonorin törmäysionisaatio (EDII) vauhdittaa. Toisin kuin olemassa olevat tekniikat, jotka toimivat lämmön avulla, tämä mekanismi on luontainen materiaalin atomirakenteelle, mikä tekee siitä poikkeuksellisen vakaan ja toistettavissa eri valmistuserien välillä.

”Tämä on vankka ja skaalautuva lähestymistapa”, Yang sanoo. ”Koska piikarbidia käytetään jo maailmanlaajuisesti sähköajoneuvoissa ja sähköverkoissa, voimme hyödyntää olemassa olevia teollisuusvalimoita näiden kryogeenisten sirujen valmistukseen 300 mm:n kiekoilla.”

Tutkimus osoittaa, että nämä neuronit voidaan ”kaskadoida” muodostaen suurempia verkkoja, mikä tasoittaa tietä monimutkaiselle, paikalliselle datankäsittelylle kryogeenisissä lämpötiloissa. Tämän teknologian odotetaan parantavan kvanttivirheiden korjauksen ja reaaliaikaisen kvanttiohjauksen suorituskykyä.

Kvanttilaskennan lisäksi nämä kestävät piirit sopivat erinomaisesti syvän avaruuden tutkimukseen, jossa elektroniikan on selvittävä kuun pinnan tai aurinkokuntamme ulkoreunojen äärimmäisestä kylmyydestä.

Aiheesta aiemmin:

Tavallinen kide ihanteellinen kryogeenisen lämpötilan valotekniikalle

Ilouutisia negatiivisesta resistanssista