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 da HKU e do Centro de Semicondutores Avançados e Circuitos Integrados (CASIC) desenvolveu uma plataforma de hardware neuromórfica programável capaz de operar em temperaturas próximas do zero absoluto.
A pesquisa foi liderada pelo professor Yuhao Zhang e pelo estudante de doutorado Xin Yang. 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 “pico” com eficiência energética de neurônios biológicos em temperaturas tão baixas quanto 10 mK.
Hardware de computação quântica inspirado no cérebro
Os computadores quânticos dependem de sistemas eletrônicos de controle complexos para controlar os qubits, que são muito sensíveis e devem ser mantidos em temperaturas milikelvin. Os sistemas de controle de silício existentes consomem quantidades significativas de energia e geram calor indesejado, tornando necessário colocá-los mais longe dos próprios qubits. Essa distância cria grandes requisitos de fiação, o que pode degradar o desempenho e dificultar a construção de computadores quânticos em grande escala.
“Nosso trabalho apresenta uma plataforma de hardware que pode ser integrada com processadores quânticos”, disse o professor Zhang. “Usando a dinâmica única dos portadores em 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 de calor em sistemas criogênicos.”
Carboneto de silício mostra comportamento criogênico único
A equipe descobriu que os MOSFETs de SiC exibem um forte efeito NDR em “formato de S” quando resfriados abaixo de 2K. Esse comportamento é devido à ionização do doador de elétrons (EDII). Ao contrário de outras tecnologias que dependem do calor liberado no dispositivo, o mecanismo recentemente observado surge diretamente das propriedades atômicas do material. Como resultado, permanece muito estável e pode ser reproduzido de forma consistente em diferentes lotes de produção.
“É uma abordagem robusta e escalável”, disse Yang. “Como o SiC já é usado mundialmente em veículos elétricos e redes de energia, podemos usar as fundições industriais existentes para produzir esses chips criogênicos em wafers de 300 mm”.
Dos neurônios artificiais ao voo espacial profundo
A pesquisa também demonstrou que esses neurônios artificiais podem ser conectados entre si ou “em cascata” em redes maiores. Essa capacidade poderia permitir o processamento avançado de dados locais em temperaturas criogênicas e melhorar funções importantes da computação quântica, como correção quântica de erros e controle quântico em tempo real.
As aplicações potenciais vão muito além da computação quântica. Como os circuitos são projetados para funcionar de forma confiável em ambientes muito frios, eles também podem ser úteis para a exploração do espaço profundo. Os sistemas futuros poderão operar em ambientes adversos na superfície da Lua ou em regiões remotas do nosso Sistema Solar.
As descobertas foram publicadas em Comunicações da natureza em um artigo intitulado “Circuitos neuromórficos criogênicos usando resistência diferencial negativa de carboneto de silício controlada por porta”.
