ترانزیستور عصبی سیلیکون کاربید در سرمای کوانتومی

تصور کنید یک ترانزیستور تنها، وقتی تا نزدیکی صفر مطلق سرد می‌شود، مانند یک سلول مغزی شلیک کند. عجیب است؟ بله. کاربردی است؟ بسیار.

پژوهشگران دانشگاه هنگ‌کنگ توانسته‌اند افزاره‌های معمولی سیلیکون کاربید را در دماهای برودتی به رفتاری تازه وادار کنند و در یک ترانزیستور، فعالیتی شبیه اسپایک و الهام‌گرفته از نورون ایجاد کنند. این دستاورد می‌تواند شیوه کنترل پردازنده‌های کوانتومی و دوام الکترونیک در سرمای عمیق فضا را دگرگون کند.

در مرکز این کشف، قطعه‌ای آشنا قرار دارد: ماسفت سیلیکون کاربید. اما زیر سرمای شدید، تا حدود ۱۰ میلی‌کلوین، این ترانزیستورها دیگر مانند کلیدهای معمولی رفتار نمی‌کنند. آن‌ها یک مقاومت تفاضلی منفیِ واضح با شکل S ایجاد می‌کنند که از یونش ضربه‌ای الکترون و دهنده ناشی می‌شود. به بیان کوتاه: افزاره وارد حالت اسپایکی کم‌مصرفی می‌شود که پالس‌های عصبی را تقلید می‌کند.

چرا این موضوع مهم است؟ بیت‌های کوانتومی در دماهای میلی‌کلوینی کار می‌کنند و به گرما به‌شدت حساس‌اند. کنترل‌کننده‌های کلاسیک امروزی گرمای اتلافی زیادی تولید می‌کنند و باید چند متر دورتر قرار بگیرند؛ در نتیجه با شبکه‌ای پیچیده از سیم‌ها وصل می‌شوند که مقیاس‌پذیری را محدود می‌کند. انتقال الکترونیک کنترلی به محیط سرد می‌تواند این سیم‌کشی و بار حرارتی را کاهش دهد. تیم دانشگاه هنگ‌کنگ می‌گوید مدارهای آن‌ها می‌توانند هزاران برابر کارآمدتر از الکترونیک استانداردِ مورد استفاده در دماهای پایین باشند و بار گرمایی وارد بر کرایواستات‌ها را به‌طور چشمگیری کم کنند.

یک مزیت عملی دیگر هم وجود دارد. اسپایک برودتی از پویایی ذاتی حامل‌ها در سیلیکون کاربید سرچشمه می‌گیرد، نه از اثرات حرارتی ناپایدار. همین موضوع این پدیده را در چرخه‌های مختلف تولید پایدار و قابل‌اعتماد می‌کند. سیلیکون کاربید هم‌اکنون در خودروهای برقی و تجهیزات توان به‌عنوان ماده‌ای کلیدی به کار می‌رود؛ بنابراین این تراشه‌های برودتی نورومورفیک در اصل می‌توانند روی ویفرهای ۳۰۰ میلی‌متری و در کارخانه‌های موجود ساخته شوند.

فراتر از یک افزاره منفرد، دانشمندان نشان داده‌اند که نورون‌های مصنوعی ساخته‌شده از این ترانزیستورها می‌توانند به‌صورت زنجیره‌ای در شبکه‌ها کنار هم قرار گیرند. پردازش سیگنال محلی در فضای سرد، راه را برای تصحیح سریع‌تر خطای کوانتومی و حلقه‌های کنترل بلادرنگ باز می‌کند؛ قابلیت‌هایی که معماری‌های امروزی در انجام آن‌ها با دشواری روبه‌رو هستند. از آنجا که این مدارها سرمای شدید را تحمل می‌کنند، می‌توانند در فرودگرهای ماه یا کاوشگرهای اعزامی به بخش‌های بیرونی منظومه شمسی نیز به کار بروند؛ جایی که الکترونیک باید دماهایی بسیار پایین‌تر از شرایط زمین را تاب بیاورد.

این پروژه در دپارتمان مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه هنگ‌کنگ و مرکز نیمه‌رساناها و مدارهای مجتمع پیشرفته انجام شده و پروفسور یوهاو ژانگ به همراه دانشجوی دکتری، شین یانگ، آن را هدایت کرده‌اند. یافته‌های آن‌ها که در نیچر کامیونیکیشنز ثبت شده است، مسیری را نشان می‌دهد که در آن ایده‌های نورومورفیک و سخت‌افزار کوانتومی زیر یک سقف برودتی به هم می‌رسند.

این هنوز یک محصول نهایی نیست. یک ابزار تازه است. اما وقتی یک ترانزیستور در سرمای عمیق مانند نورون رفتار می‌کند، نقشه آنچه می‌توانیم پیرامون ماشین‌های کوانتومی و مأموریت‌های فضایی سرد بسازیم، شروع به تغییر می‌کند.