香港大學(xué)（HKU）研究人員在低溫電子學(xué)領(lǐng)域取得重大突破，這一成果有望解決量子計(jì)算的核心難題，并為未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)提供支持。該研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自香港大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系及先進(jìn)半導(dǎo)體與集成電路研究中心（CASIC），成功研發(fā)出一種可編程神經(jīng)形態(tài)硬件平臺(tái)，能夠在接近絕對(duì)零度的超低溫環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

本項(xiàng)研究由張宇豪教授與博士生楊鑫共同主導(dǎo)。他們提出了一種在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)碳化硅（SiC）MOSFET器件中產(chǎn)生并調(diào)控負(fù)微分電阻（NDR）的全新方法。借助這一技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)首次證明單個(gè)晶體管可以在低至10毫開爾文（mK）的溫度下，模擬生物神經(jīng)元高效的"脈沖"放電行為。

仿腦硬件賦能量子計(jì)算

量子計(jì)算機(jī)依賴精密的控制電子系統(tǒng)來(lái)管理量子比特（qubit）。量子比特對(duì)外界干擾極為敏感，必須在毫開爾文級(jí)別的超低溫環(huán)境中運(yùn)行。然而，現(xiàn)有的基于硅的控制系統(tǒng)功耗較高，會(huì)產(chǎn)生不必要的熱量，因此不得不與量子比特保持一定距離。這種物理間隔導(dǎo)致大量布線需求，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，也使大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建面臨更大挑戰(zhàn)。

"我們的研究成果引入了一種可與量子處理器直接集成的硬件平臺(tái)，"張教授表示，"通過(guò)利用碳化硅中獨(dú)特的載流子動(dòng)力學(xué)特性，我們能夠構(gòu)建比傳統(tǒng)電子元件能效高出數(shù)千倍的電路，從而大幅降低低溫系統(tǒng)的熱負(fù)荷。"

碳化硅展現(xiàn)獨(dú)特低溫特性

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，SiC MOSFET在溫度降至2開爾文以下時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出顯著的"S型"負(fù)微分電阻效應(yīng)，其驅(qū)動(dòng)機(jī)制源于電子供體碰撞電離（EDII）。與其他依賴器件內(nèi)部熱效應(yīng)的技術(shù)不同，這一新發(fā)現(xiàn)的機(jī)制直接源于材料本身的原子特性，因而具有高度穩(wěn)定性，并能在不同生產(chǎn)批次之間保持良好的一致性。

"這是一種可靠且可擴(kuò)展的方案，"楊鑫表示，"由于碳化硅已廣泛應(yīng)用于全球的電動(dòng)汽車和電力系統(tǒng)領(lǐng)域，我們可以充分利用現(xiàn)有工業(yè)代工廠，在300毫米晶圓上批量制造這類低溫芯片。"

從人工神經(jīng)元到深空探測(cè)

研究還證明，這些人工神經(jīng)元可以相互連接，即以"級(jí)聯(lián)"方式組成更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。這一能力有望在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高級(jí)本地?cái)?shù)據(jù)處理，并顯著提升量子糾錯(cuò)和實(shí)時(shí)量子控制等關(guān)鍵量子計(jì)算功能。

該技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不止于量子計(jì)算。由于這些電路被設(shè)計(jì)為能在極端寒冷的環(huán)境中可靠運(yùn)行，它們?cè)谏羁仗綔y(cè)領(lǐng)域同樣具有重要價(jià)值，未來(lái)系統(tǒng)有望在月球表面或太陽(yáng)系更遙遠(yuǎn)區(qū)域的惡劣環(huán)境中正常工作。

相關(guān)研究成果已發(fā)表于《自然·通訊》期刊，論文題目為《利用碳化硅中柵控負(fù)微分電阻實(shí)現(xiàn)低溫神經(jīng)形態(tài)電路》。

Q&A

Q1：香港大學(xué)研發(fā)的低溫神經(jīng)形態(tài)芯片是什么？

A：這是由香港大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一種可編程神經(jīng)形態(tài)硬件平臺(tái)，能夠在接近絕對(duì)零度（低至10毫開爾文）的超低溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。它通過(guò)碳化硅MOSFET中獨(dú)特的負(fù)微分電阻效應(yīng)，模擬生物神經(jīng)元的脈沖放電行為，能效比傳統(tǒng)電子元件高出數(shù)千倍。

Q2：碳化硅低溫芯片如何解決量子計(jì)算中的散熱難題？

A：現(xiàn)有量子計(jì)算控制系統(tǒng)采用硅基器件，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，必須與對(duì)溫度極敏感的量子比特保持距離，由此帶來(lái)復(fù)雜布線問題。碳化硅低溫芯片能效極高，產(chǎn)熱極少，可直接與量子處理器集成，大幅減少低溫系統(tǒng)的熱負(fù)荷，同時(shí)降低布線復(fù)雜度，有助于推動(dòng)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

Q3：碳化硅低溫芯片除了量子計(jì)算還有哪些應(yīng)用場(chǎng)景？

A：除量子計(jì)算外，該芯片還可應(yīng)用于深空探測(cè)領(lǐng)域。由于其設(shè)計(jì)能夠在極端低溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，未來(lái)有望用于月球表面或太陽(yáng)系更遠(yuǎn)區(qū)域的探測(cè)任務(wù)，在宇宙深空的惡劣條件下實(shí)現(xiàn)可靠的本地?cái)?shù)據(jù)處理。