Para peneliti dari Universitas Hong Kong (HKU) telah meluncurkan kemajuan signifikan dalam elektronik kriogenik yang dapat membantu mengatasi tantangan utama dalam komputasi kuantum dan mendukung misi luar angkasa di masa depan. Tim tersebut, dari Departemen Teknik Listrik dan Komputer HKU dan Pusat Semikonduktor Lanjutan dan Sirkuit Terpadu (CASIC), mengembangkan platform perangkat keras neuromorfik yang dapat diprogram yang mampu beroperasi pada suhu mendekati nol mutlak.
Penelitian ini dipimpin oleh Profesor Yuhao Zhang dan mahasiswa doktoral Xin Yang. Pekerjaan mereka memperkenalkan metode baru untuk menghasilkan dan mengendalikan resistansi diferensial negatif (NDR) dalam MOSFET silikon karbida (SiC) standar industri. Dengan menggunakan pendekatan ini, para peneliti untuk pertama kalinya mendemonstrasikan bahwa satu transistor dapat mereproduksi aktivitas “spiking” neuron biologis yang hemat energi pada suhu serendah 10 mK.
Perangkat keras yang terinspirasi otak untuk komputasi kuantum
Komputer kuantum mengandalkan kontrol elektronik yang canggih untuk mengelola qubit, yang sangat sensitif dan harus dijaga pada suhu milikelvin. Sistem kontrol berbasis silikon yang ada menghabiskan banyak daya dan menghasilkan panas yang tidak diinginkan, sehingga sistem tersebut harus dipindahkan dari qubit itu sendiri. Jarak ini menciptakan kebutuhan kabel yang besar yang dapat mengganggu kinerja dan mempersulit pembuatan komputer kuantum skala besar.
“Pekerjaan kami memperkenalkan platform perangkat keras yang dapat diintegrasikan ke dalam prosesor kuantum,” kata Profesor Zhang. “Dengan menggunakan dinamika pembawa silikon karbida yang unik, kami dapat menciptakan sirkuit yang ribuan kali lebih hemat energi dibandingkan elektronik konvensional, sehingga secara signifikan mengurangi beban termal pada sistem kriogenik.”
Silikon karbida menunjukkan perilaku kriogenik yang unik
Tim menemukan bahwa MOSFET SiC menampilkan efek NDR berbentuk S yang kuat ketika didinginkan di bawah 2K. Perilaku ini disebabkan oleh ionisasi dampak donor elektron (EDII). Tidak seperti teknologi lain yang mengandalkan panas yang dihasilkan dalam perangkat, mekanisme yang baru diamati ini muncul langsung dari sifat atom material. Hasilnya, produk ini tetap sangat stabil dan dapat direproduksi secara konsisten di berbagai batch produksi.
“Ini adalah pendekatan yang kuat dan terukur,” kata Yang. “Dengan SiC yang sudah digunakan secara global pada kendaraan listrik dan jaringan listrik, kita dapat memanfaatkan pabrik pengecoran industri yang ada untuk memproduksi chip kriogenik ini pada wafer 300 mm.”
Dari neuron buatan hingga misi luar angkasa
Studi ini juga menunjukkan bahwa neuron buatan ini dapat dihubungkan bersama, atau “mengalir”, ke dalam jaringan yang lebih besar. Kemampuan ini dapat memungkinkan pemrosesan data lokal tingkat lanjut pada suhu kriogenik dan meningkatkan fungsi komputasi kuantum penting seperti koreksi kesalahan kuantum dan kontrol kuantum waktu nyata.
Aplikasi potensialnya jauh melampaui komputasi kuantum. Karena sirkuit ini dirancang untuk beroperasi dengan andal di lingkungan yang sangat dingin, sirkuit ini juga dapat berguna untuk eksplorasi luar angkasa. Sistem masa depan mungkin dapat beroperasi dalam kondisi keras yang ditemukan di permukaan Bulan atau di wilayah terpencil tata surya kita.
Hasilnya dipublikasikan di Komunikasi alami dalam makalah berjudul “Sirkuit Neuromorfik Kriogenik Menggunakan Resistensi Diferensial Negatif yang Dikendalikan Gerbang dalam Silikon Karbida.”
