香港大學（HKU）的研究人員在低溫電子學方面取得了重大突破，有助於克服量子計算的關鍵挑戰並支持未來的深空任務。來自香港大學電機與電腦工程係以及先進半導體和積體電路中心（CASIC）的研究人員開發了一種可程式神經形態硬體平台，能夠在接近絕對零度的溫度下運作。
這項研究由張宇豪教授和博士生楊欣領導。他們的工作提出了一種在標準碳化矽 (SiC) MOSFET 中產生和控制負微分電阻 (NDR) 的新方法。利用這種方法，研究人員首次證明單一電晶體可以在低至 10 mK 的溫度下重現生物神經元的節能「尖峰」活動。
用於量子計算的類腦硬體
量子電腦依靠複雜的控制電子設備來管理量子位元，這些量子位元極為敏感，必須保持在毫開爾文溫度。現有的矽基控制系統消耗大量電力並產生不必要的熱量，因此有必要將它們放置在遠離量子位元的地方。這一距離產生了大量的佈線要求，可能會影響性能並使建造大規模量子電腦變得更加困難。
「我們的工作提供了一個可以與量子處理器整合在一起的硬體平台，」張教授說。 “利用碳化矽獨特的載流子動力學，我們可以創建比傳統電子產品更節能的電路，從而顯著降低低溫系統的熱負荷。”
碳化矽表現出獨特的低溫行為
研究團隊發現，SiC MOSFET 在冷卻至 2K 以下時表現出強烈的「S 形」NDR 效應。此行為是由電子供體碰撞電離 (EDII) 引起的。與依賴設備內產生熱量的其他技術不同，新觀察到的機制直接源自於材料的原子特性。因此，它保持高度穩定，並且可以在不同的生產批次中一致地複製。
「這是一種穩健且可擴展的方法，」楊先生說。 “由於 SiC 在全球範圍內用於電動車和電網，我們可以利用現有的代工廠在 300 毫米晶圓上製造這些低溫晶片。”
從人造神經元到深空任務
研究表明，這些人工神經元可以連接在一起，或「級聯」成更大的網路。這種能力可以在低溫下實現先進的本地資料處理，並改進重要的量子運算功能，例如量子糾錯和即時量子控制。
潛在的應用遠遠超出了量子計算的範圍。由於這些電路設計用於在極冷的環境中可靠運行，因此它們也可用於深空探索。未來的系統可能會在月球表面或太陽系遙遠區域的惡劣條件下運作。
研究結果發表於 自然通訊 在一項名為「在碳化矽中使用門控負微分電阻的低溫神經形態電路」的工作中。
