香港大学(HKU)的研究人员揭示了一项在低温电子学领域的重要进展，这可能有助于克服量子计算中的关键挑战，并支持未来深空任务。该团队来自HKU电气与电子工程系和先进半导体与集成电路中心(CASIC)，开发出一种可编程的类脑硬件平台，能够在接近绝对零度的温度下运行。研究由张宇豪教授和博士生杨新主导。他们的工作提出了一种新的方法，在工业标准的碳化硅(SiC) MOSFET中生成和控制负微分电阻(NDR)。利用这种方法，研究人员首次展示了单个晶体管可以在低至10mK的温度下再现生物神经元的能量高效“脉冲”活动。 量子计算的类脑硬件 量子计算机依赖复杂的控制电子设备来管理量子比特，这些量子比特非常敏感，必须保持在毫开尔文级别的温度。现有的基于硅的控制系统消耗大量电力并产生不必要的热量，使得它们必须远离量子比特。这样的距离导致复杂的布线需求，可能影响性能，并使大规模量子计算机更难以构建。“我们的工作提出了一种可以与量子处理器集成的硬件平台，”张教授说。“通过利用碳化硅中的独特载流子动态，我们可以创建比传统电子设备节能数千倍的电路，显著减少低温系统的热负荷。” 碳化硅展现独特的低温行为 团队发现，当SiC MOSFET被冷却至2K以下时，显示出强烈的“S形”NDR效应。这种行为由电子供体撞击电离(EDII)驱动。与依赖于设备内部产生的热量的其他技术不同，这种新观察到的机制直接源于材料的原子属性。因此，它具有高度的稳定性，并且可以在不同的制造批次中一致地再现。“这是一种稳健且可扩展的方法，”杨先生说。“因为SiC已经在全球电动汽车和电网中使用，我们可以利用现有的工业铸造厂在300毫米晶圆上制造这些低温芯片。” 从人工神经元到深空任务 研究还表明，这些人工神经元可以连接在一起，或“级联”成更大的网络。这个能力可以在低温下实现先进的本地数据处理，并改善量子计算中的重要功能，如量子错误纠正和实时量子控制。潜在应用远不止量子计算。由于电路被设计成能在极冷环境中可靠工作，它们也可能对深空探索非常有价值。未来的系统可能能够在月球表面或我们太阳系遥远地区的恶劣条件下工作。这些研究结果发表在《自然通讯》期刊上，题为《使用栅控负微分电阻的低温类脑电路在碳化硅中的应用》。