Pesquisadores da Universidade de Hong Kong (HKU) revelaram um grande avanço na eletrônica criogênica que poderia ajudar a superar os principais desafios da computação quântica e apoiar futuras missões no espaço profundo. Uma equipe do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação e do Centro de Semicondutores Avançados e Circuitos Integrados (CASIC) da Universidade de Hong Kong desenvolveu uma plataforma de hardware neuromórfica programável capaz de operar em temperaturas próximas do zero absoluto.
A pesquisa foi liderada pelo professor Zhang Yuhao e pelo estudante de doutorado Yang Xin. Seu trabalho apresenta um novo método para gerar e controlar a resistência diferencial negativa (NDR) em MOSFETs de carboneto de silício (SiC) padrão da indústria. Usando esta abordagem, os pesquisadores demonstraram pela primeira vez que um único transistor pode reproduzir a atividade de “aumento” com eficiência energética de neurônios biológicos em temperaturas tão baixas quanto 10mK.
Hardware inspirado no cérebro para computação quântica
Os computadores quânticos dependem de sistemas eletrônicos de controle complexos para gerenciar qubits, que são altamente sensíveis e devem ser mantidos em temperaturas milikelvin. Os sistemas de controle existentes baseados em silício consomem grandes quantidades de energia e geram calor desnecessário, tornando necessário colocá-los longe dos próprios qubits. Essa distância cria extensos requisitos de fiação que podem afetar o desempenho e dificultar a construção de computadores quânticos em grande escala.
“Nosso trabalho apresenta uma plataforma de hardware que pode ser integrada a processadores quânticos”, disse o professor Zhang. “Ao explorar a dinâmica de portadora única do carboneto de silício, podemos criar circuitos que são milhares de vezes mais eficientes em termos energéticos do que a eletrônica convencional, reduzindo significativamente a carga térmica em sistemas de baixa temperatura.”
O carboneto de silício exibe um comportamento único em baixas temperaturas
A equipe de pesquisa descobriu que o SiC MOSFET exibe um forte efeito NDR em “formato de S” quando resfriado abaixo de 2K. Este comportamento é impulsionado pela ionização por impacto do doador de elétrons (EDII). Ao contrário de outras tecnologias que dependem do calor gerado no dispositivo, o mecanismo recentemente observado surge diretamente das propriedades atômicas do material. Como resultado, permanece altamente estável e pode ser reproduzido de forma consistente em diferentes lotes de produção.
“Esta é uma abordagem robusta e escalável”, disse Yang. “Como o SiC já é usado em veículos elétricos e redes de energia em todo o mundo, podemos fabricar esses wafers criogênicos em wafers de 300 mm usando fundições industriais existentes.”
De neurônios artificiais a missões no espaço profundo
O estudo também demonstrou que esses neurônios artificiais podem ser ligados entre si ou “em cascata” em redes maiores. Esse recurso permite o processamento avançado de dados locais em temperaturas criogênicas e melhora funções importantes da computação quântica, como correção quântica de erros e controle quântico instantâneo.
As aplicações potenciais vão muito além da computação quântica. Como esses circuitos são projetados para operar de forma confiável em ambientes extremamente frios, eles também são valiosos para a exploração do espaço profundo. Os sistemas futuros poderão operar em condições adversas na superfície lunar ou em regiões distantes do sistema solar.
Os resultados da pesquisa foram publicados em comunicações da natureza Em um artigo intitulado “Circuitos neuromórficos de baixa temperatura usando resistência diferencial negativa controlada em carboneto de silício”.
