Kuantum İçin Sıfıra Yakın Çip

Hong Kong Üniversitesi’nden (HKU) araştırmacılar, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda çalışabilen programlanabilir bir nöromorfik donanım platformu geliştirdi. HKU Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü ile İleri Yarı İletkenler ve Entegre Devreler Merkezi’nden (CASIC) ekibin çalışması, kuantum bilgisayarların kontrolünde karşılaşılan ısı ve kablolama sorunlarına çözüm sunmayı amaçlıyor.

Kuantum bilgisayarlar için düşük güç tüketimi

Çalışmaya Professor Yuhao Zhang ve doktora öğrencisi Xin Yang liderlik etti. Ekip, endüstride yaygın kullanılan silikon karbür (SiC) MOSFET’lerde negatif diferansiyel direnci (NDR) üretip kontrol etmek için yeni bir yöntem kullandı. Araştırmacılar, tek bir transistörün biyolojik nöronlardaki enerji tasarruflu “sivri uç” etkinliğini 10 milikelvin sıcaklığa kadar taklit edebildiğini gösterdi.

Kuantum bilgisayarlarda kübitleri kontrol eden elektronik sistemlerin de milikelvin seviyesindeki sıcaklıklarda çalışması gerekiyor. Geleneksel silikon tabanlı kontrol devreleri önemli miktarda güç tükettiği için ısı üretiyor ve çoğu zaman kübitlerden uzağa yerleştiriliyor. Bu durum, daha fazla kablo kullanılmasını gerektirerek büyük ölçekli kuantum bilgisayarların tasarımını zorlaştırıyor.

Yeni platformun kuantum işlemcilerin yanına entegre edilebileceği belirtiliyor. Araştırmacılara göre silikon karbürdeki taşıyıcı dinamiklerinden yararlanan devreler, geleneksel elektroniklere kıyasla binlerce kat daha yüksek enerji verimliliği sağlayabilir. Böylece kriyojenik sistemlerdeki ısıl yükün azaltılması hedefleniyor.

Silikon karbürün kriyojenik davranışı

Ekip, SiC MOSFET’lerin 2 kelvinin altına soğutulduğunda belirgin bir “S” biçimli NDR etkisi gösterdiğini tespit etti. Bu davranışın, elektron verici darbe iyonlaşması adı verilen mekanizmayla ortaya çıktığı bildirildi. Mekanizmanın cihaz içinde oluşan ısıya değil, malzemenin atomik özelliklerine dayanması, etkinin farklı üretim partilerinde istikrarlı biçimde tekrarlanmasını sağlayabiliyor.

Araştırmacılar ayrıca yapay nöronları birbirine bağlayarak daha büyük ağlar oluşturabildi. Bu yapı, kriyojenik sıcaklıklarda yerel veri işleme, kuantum hata düzeltme ve gerçek zamanlı kuantum kontrolü gibi alanlarda kullanılabilir. SiC’nin elektrikli araçlar ve enerji şebekelerinde hâlihazırda kullanılması da bu çiplerin 300 milimetrelik wafer’lar üzerinde mevcut endüstriyel üretim altyapısıyla üretilebilmesine olanak sağlayabilir.

Teknolojinin kullanım alanı kuantum bilgisayarla sınırlı olmayabilir. Aşırı soğuk ortamlarda çalışmak üzere tasarlanan devreler, Ay yüzeyi ya da Güneş Sistemi’nin uzak bölgeleri gibi zorlu koşullarda görev yapacak derin uzay araçlarında da değerlendirilebilir. Bulgular, “Cryogenic neuromorphic circuits using gate-controlled negative differential resistance in silicon carbide” başlıklı makaleyle Nature Communications dergisinde yayımlandı.