پژوهشگران دانشگاه هنگکنگ (HKU) نوع جدیدی از سختافزار الکترونیکی با الهام از مغز (نورومورفیک) توسعه دادهاند که میتواند در دماهایی نزدیک به صفر مطلق کار کند. این موفقیت چشمگیر میتواند به حل یکی از بزرگترین چالشهای پیش روی محاسبات کوانتومی کمک کرده و در عین حال، مسیرهای جدیدی را برای ماموریتهای آینده در اعماق فضا بگشاید.
این پروژه توسط دانشمندان بخش مهندسی برق و کامپیوتر در دانشکده مهندسی و مرکز نیمههادیهای پیشرفته و مدارهای مجتمع (CASIC) در دانشگاه هنگکنگ انجام شده است. پلتفرم نورومورفیک برنامهپذیر و تازه توسعهیافته آنها در محیطهای فوقسرد کار میکند و میتواند راهکاری عملی برای بهبود مقیاسپذیری کامپیوترهای کوانتومی ارائه دهد.
محاسبات با الهام از مغز در دمایی نزدیک به صفر مطلق
تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور «یوهایو ژانگ» (Yuhao Zhang) و دانشجوی دکترا «شین یانگ» (Xin Yang)، روش جدیدی برای ایجاد و کنترل «مقاومت دیفرانسیلی منفی» (NDR) در ترانزیستورهای ماسفت (MOSFET) از جنس سیلیکون کارباید (SiC) — که یک استاندارد صنعتی است — پیدا کردند.
آنها با استفاده از این رویکرد، برای نخستین بار نشان دادند که یک ترانزیستور منفرد میتواند فعالیت سیگنالدهی (Spiking) بهینه و کممصرفی را که در نورونهای بیولوژیکی دیده میشود، در دماهای بسیار پایینی تا حد ۱۰ میلیکلوین بازسازی کند.
این دستاورد از آن جهت بسیار حائز اهمیت است که کامپیوترهای کوانتومی در شرایط فوقسرد کار میکنند. کیوبیتهای آنها به شدت حساس هستند و باید در دمای میلیکلوین نگهداری شوند. با این حال، سیستمهای الکترونیکی که برای کنترل آن کیوبیتها استفاده میشوند، معمولاً انرژی زیادی مصرف کرده و گرما تولید میکنند.
در نتیجه، کنترلکنندههای سیلیکونی امروزی باید در فاصلهای دورتر از کیوبیتها قرار گیرند؛ امری که شبکه پیچیدهای از سیمکشیها را ایجاد میکند که عملکرد سیستم را محدود ساخته و ساخت کامپیوترهای کوانتومی بزرگتر را دشوارتر میکند.
پروفسور ژانگ میگوید:
کار ما سختافزاری را معرفی میکند که میتواند در کنار پردازندههای کوانتومی یکپارچهسازی شود. با استفاده از دینامیک منحصربهفردِ حاملهای بار در سیلیکون کارباید، ما میتوانیم مدارهایی بسازیم که هزاران بار بهینهتر از الکترونیک معمولی هستند و بار حرارتی روی سیستمهای کرایوژنیک (فوقسرد) را به طور چشمگیری کاهش میدهند.
سیلیکون کارباید رفتار کرایوژنیک منحصربهفردی را آشکار میکند
محققان دریافتند که ماسفتهای SiC وقتی تا دمای زیر ۲ کلوین خنک میشوند، رفتار متفاوتی از خود نشان میدهند. در آن شرایط، این قطعات اثر قویِ مقاومت دیفرانسیلی منفی (NDR) با ساختار “S-شکل” را به نمایش میگذارند که ناشی از «یونیزاسیون ضربهای دهنده الکترون» (EDII) است.
برخلاف سایر فناوریها که به فرآیندهای مرتبط با گرما وابسته هستند، این اثر از ساختار اتمی خودِ ماده منشا میگیرد. به گفته این تیم، همین امر باعث میشود که این رفتار بسیار پایدار بوده و در دستههای مختلف تولیدی، به طور مداوم قابل تکرار باشد.
یانگ گفت:
این یک رویکرد مستحکم و مقیاسپذیر است. از آنجا که سیلیکون کارباید در حال حاضر به صورت جهانی در خودروهای برقی و شبکههای برق استفاده میشود، ما میتوانیم از کارخانههای صنعتی موجود برای تولید این تراشههای کرایوژنیک روی ویفرهای ۳۰۰ میلیمتری بهره ببریم.
به سوی سیستمهای کوانتومی بزرگتر و ماموریتهای اعماق فضا
این مطالعه همچنین نشان داد که این نورونهای مصنوعی میتوانند به صورت آبشاری (Cascaded) به شبکههای بزرگتری متصل شوند. این قابلیت میتواند پردازش دادههای محلی پیشرفتهتری را در محیطهای کرایوژنیک امکانپذیر کند و عملکردهایی مانند اصلاح خطای کوانتومی و کنترل کوانتومی بلادرنگ (Real-time) را بهبود ببخشد.
کاربردهای بالقوه این فناوری فراتر از محاسبات کوانتومی است. از آنجا که این مدارها میتوانند به طور قابل اعتمادی در شرایط فوقسرد کار کنند، ممکن است برای کاوش در اعماق فضا نیز بسیار مناسب باشند. فضاپیماها و ابزارهای علمی آینده اغلب باید در محیطهایی به سردی سطح ماه یا مناطق دوردست منظومه شمسی فعالیت کنند.
یافتههای این پژوهش در نشریه معتبر Nature Communications منتشر شده است.
منبع: Scitechdaily
