Investigadores de la Universidad de Hong Kong (HKU) han revelado un avance significativo en electrónica criogénica que podría superar desafíos clave en la computación cuántica y ayudar en futuras misiones al espacio profundo. El equipo del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de HKU y el Centro de Semiconductores Avanzados y Circuitos Integrados (CASIC) ha desarrollado una plataforma de hardware neuromórfico programable capaz de funcionar a temperaturas cercanas al cero absoluto.
La investigación fue dirigida por el profesor Yuhao Zhang y el estudiante de doctorado Jin Yang. Su trabajo introduce un nuevo método para generar y controlar la resistencia diferencial negativa (NDR) en MOSFET de carburo de silicio (SiC) estándar de la industria. Utilizando este método, los investigadores demostraron por primera vez que un solo transistor puede reproducir la actividad de “picos” energéticamente eficiente de las neuronas biológicas a temperaturas tan bajas como 10 mK.
Hardware inspirado en el cerebro para la computación cuántica
Las computadoras cuánticas dependen de sofisticados sistemas electrónicos de control para operar los qubits, que son extremadamente sensibles y deben mantenerse a temperaturas de mikelvin. Los sistemas de control existentes basados en silicio consumen una cantidad considerable de energía y generan calor no deseado, lo que obliga a mantenerlos alejados del propio qubit. Esta distancia crea extensos requisitos de cableado que pueden obstaculizar el rendimiento y dificultar la construcción de computadoras cuánticas a gran escala.
“Nuestro trabajo introduce una plataforma de hardware que puede integrarse con procesadores cuánticos”, afirmó el profesor Zhang. “Utilizando la dinámica única del portador en el carburo de silicio, podemos crear circuitos que son miles de veces más eficientes energéticamente que la electrónica convencional, reduciendo significativamente la carga térmica en los sistemas criogénicos”.
El carburo de silicio exhibe un comportamiento criogénico único
El equipo descubrió que los MOSFET de SiC exhiben un fuerte efecto NDR en “forma de S” cuando se enfrían por debajo de 2K. Este comportamiento está impulsado por la ionización por efecto donador de electrones (EDII). A diferencia de otras tecnologías que dependen del calor generado dentro de un dispositivo, el nuevo proceso de observación deriva directamente de las propiedades atómicas del material. Como resultado, sigue siendo muy estable y puede reproducirse de forma consistente en diferentes lotes de producción.
“Es un enfoque poderoso y escalable”, afirmó el Sr. Yang. “Dado que el SiC ya se utiliza en todo el mundo en vehículos eléctricos y redes eléctricas, podemos aprovechar las fundiciones industriales existentes para producir estos chips criogénicos en obleas de 300 mm”.
De las neuronas artificiales a las misiones al espacio profundo
Las investigaciones también han demostrado que estas neuronas artificiales pueden conectarse entre sí o “ponerse en cascada” en redes más grandes. Esta capacidad podría permitir el procesamiento local avanzado de datos a temperaturas criogénicas y mejorar funciones importantes de la computación cuántica, como la corrección de errores cuánticos y el control cuántico en tiempo real.
Las aplicaciones potenciales van más allá de la computación cuántica. Debido a que los circuitos están diseñados para funcionar de manera confiable en ambientes extremadamente fríos, también podrían ser valiosos para la exploración del espacio profundo. Es posible que los sistemas futuros puedan funcionar en las duras condiciones que se encuentran en la superficie de la luna o en los confines de nuestro sistema solar.
Se publican los resultados comunicación de la naturaleza En un artículo titulado “Circuitos neuromórficos criogénicos que utilizan resistencia diferencial negativa controlada por puerta en carburo de silicio”.
