I ricercatori dell’Università di Hong Kong (HKU) hanno presentato un significativo progresso nell’elettronica criogenica che potrebbe contribuire a superare le principali sfide del calcolo quantistico e supportare le future missioni nello spazio profondo. Il team, composto da membri del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e del Centro per i Semiconduttori Avanzati e i Circuiti Integrati (CASIC) dell’HKU, ha sviluppato una piattaforma hardware neuromorfica programmabile in grado di operare a temperature prossime allo zero assoluto.
La ricerca è stata condotta dal professor Yuhao Zhang e dallo studente di dottorato Xin Yang. Il loro lavoro introduce un nuovo metodo per generare e controllare la resistenza differenziale negativa (NDR) nei MOSFET al carburo di silicio (SiC) standard del settore. Utilizzando questo approccio, i ricercatori hanno dimostrato per la prima volta che un singolo transistor può riprodurre l’attività di “spiking” a basso consumo energetico dei neuroni biologici a temperature fino a 10 mK.
Hardware ispirato al cervello per il calcolo quantistico
I computer quantistici dipendono da sofisticati sistemi elettronici di controllo per gestire i qubit, che sono estremamente sensibili e devono essere mantenuti a temperature di millikelvin. Gli attuali sistemi di controllo basati sul silicio consumano una notevole quantità di energia e producono calore indesiderato, rendendo necessario posizionarli a distanza dai qubit stessi. Tale distanza comporta un’ingente quantità di cablaggio che può compromettere le prestazioni e rendere più difficile la costruzione di computer quantistici su larga scala.
“Il nostro lavoro introduce una piattaforma hardware che può essere integrata con i processori quantistici”, ha affermato il professor Zhang. “Sfruttando le dinamiche uniche dei portatori di carica nel carburo di silicio, possiamo creare circuiti migliaia di volte più efficienti dal punto di vista energetico rispetto all’elettronica convenzionale, riducendo significativamente il carico termico sui sistemi criogenici.”
Il carburo di silicio rivela un comportamento criogenico unico
Il team ha scoperto che i MOSFET in SiC mostrano un forte effetto NDR a forma di “S” quando raffreddati al di sotto di 2 K. Questo comportamento è determinato dall’ionizzazione da impatto di donatori di elettroni (EDII). A differenza di altre tecnologie che dipendono dal calore generato all’interno di un dispositivo, il meccanismo appena osservato deriva direttamente dalle proprietà atomiche del materiale. Di conseguenza, rimane altamente stabile e può essere riprodotto in modo coerente in diversi lotti di produzione.
“Si tratta di un approccio solido e scalabile”, ha affermato il signor Yang. “Dato che il SiC è già utilizzato a livello globale nei veicoli elettrici e nelle reti elettriche, possiamo sfruttare le fonderie industriali esistenti per produrre questi chip criogenici su wafer da 300 mm.”
Dai neuroni artificiali alle missioni nello spazio profondo.
Lo studio ha inoltre dimostrato che questi neuroni artificiali possono essere collegati tra loro, o “a cascata”, in reti più ampie. Questa capacità potrebbe consentire un’elaborazione locale avanzata dei dati a temperature criogeniche e migliorare importanti funzioni del calcolo quantistico, come la correzione degli errori quantistici e il controllo quantistico in tempo reale.
Le potenziali applicazioni si estendono ben oltre il calcolo quantistico. Poiché i circuiti sono progettati per funzionare in modo affidabile in ambienti estremamente freddi, potrebbero rivelarsi preziosi anche per l’esplorazione dello spazio profondo. I sistemi futuri potrebbero essere in grado di funzionare nelle condizioni estreme presenti sulla superficie lunare o nelle regioni più remote del nostro sistema solare.
I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications in un articolo intitolato “Circuiti neuromorfici criogenici che utilizzano una resistenza differenziale negativa controllata da gate nel carburo di silicio”.
Astratto
I circuiti elettronici criogenici sono cruciali per l’interfacciamento e il controllo di piattaforme di calcolo quantistico scalabili a temperature di millikelvin, ma devono affrontare severi vincoli termici che richiedono un funzionamento a bassissima potenza. I circuiti neuromorfici, che emulano il comportamento di spike dei neuroni biologici, offrono una soluzione per ottenere un’elettronica efficiente dal punto di vista energetico in queste condizioni. Qui, riportiamo la resistenza differenziale negativa (NDR) controllata dal gate nei transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) al carburo di silicio (SiC). Questo effetto NDR, derivante dall’ionizzazione da impatto del donatore di elettroni (EDII) nel MOSFET SiC, raggiunge un rapporto di corrente on/off superiore a 10 7 Nel frattempo, il comportamento dell’NDR può essere completamente controllato dalla tensione di gate del MOSFET. Sfruttando questo NDR controllato dal gate, dimostriamo circuiti neuromorfici a impulsi criogenici programmabili, inclusi neuroni sensoriali, logici e integrate-and-fire, con funzionalità sintonizzabili tramite tensioni di gate o di drain. La comprovata producibilità della tecnologia SiC evidenzia il potenziale di questo approccio per l’integrazione scalabile in sistemi criogenici per il rilevamento, il calcolo e l’informazione quantistica.
Materiale fornito dall’Università di Hong Kong . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Xin Yang, Matthew Porter, Yuan Qin, Zineng Yang, Hehe Gong, Liyang Jin, Zichen Xi, Han Wang, Liyan Zhu, Yuhao Zhang, Linbo Shao. Circuiti neuromorfici criogenici che utilizzano resistenza differenziale negativa controllata da gate in carburo di silicio . Comunicazioni sulla natura , 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-70963-6
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