香港大学（HKU）電気・コンピュータ工学科の研究者たちは、先進半導体・集積回路センター（CASIC）と共同で、極低温エレクトロニクス分野における画期的な材料物理学のブレークスルーを達成しました。この研究は、Yuhao Zhang教授と博士課程の学生であるXin Yang氏が主導し、絶対零度（10ミリケルビン）に近い温度で動作するプログラム可能な脳型ニューロモーフィックハードウェアプラットフォームを開発しました。この成果は『Nature Communications』に掲載され、業界標準の炭化ケイ素（SiC）パワー半導体の固有の原子特性を、量子希釈冷凍機内部でエネルギー効率の高いローカルデータ処理ネットワークを構築するために活用する方法を示しています。このマイルストーンは、現在の汎用量子コンピュータのスケーラビリティを制限している深刻な配線ボトルネックを解消するための実用的な道筋を示します。
ミリケルビンでのスパイク生成に向けた電子ドナーによるインパクトイオン化の活用
この研究の基盤は、2ケルビン以下の温度で標準的な市販SiC MOSFET内部にS字型負性抵抗（NDR）を生成・変調する安定したメカニズムの発見にあります。従来のシリコンベースの制御回路は、熱キャリア励起に依存して機能しますが、極低温環境に置かれると、これらの標準的なコントローラーはキャリア凍結を起こし、オペレーターは高密度の制御エレクトロニクスを量子プロセッサから遠く離れた場所に配置せざるを得なくなります。この空間的な分離は、熱的なギャップを埋めるために数千本の同軸ケーブルを必要とし、スケーラブルでない熱的および物理的な配線ボトルネックを生み出します。
HKUチームは、SiC MOSFETをミリケルビン領域まで冷却すると、電子ドナーによるインパクトイオン化（EDII）として知られる固有の材料現象が引き起こされることを発見しました。トランジスタのゲート電圧を変調することで、炭化ケイ素の原子格子内のキャリアダイナミクスを精密に制御し、生物学的ニューロンのエネルギー効率の高い「スパイク」と活動電位の挙動を模倣することができます。EDIIメカニズムは熱的な副作用ではなくSiC結晶格子の固有の物理的特性であるため、例外的に安定しており、予測可能で、異なる製造バッチ間でも高い再現性があります。
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