新型低温碳化硅硬件攻克量子计算发展瓶颈

香港大学工程学院电机与电子工程学系、先进半导体与集成电路研究中心的研究团队，在低温电子学领域取得重大突破。该团队研发出一款可在接近绝对零度环境下运行的可编程神经形态硬件平台，有望解决量子计算机的规模化发展难题，同时也能为深空探测提供技术支撑。相关研究成果以《基于碳化硅栅控负微分电阻的低温神经形态电路》为题，发表于《自然・通讯》期刊。

本研究由Yuhao Zhang教授与博士生Xin Yang牵头完成。团队探索出一种全新方法，可在工业标准碳化硅MOSFET中生成并调控负微分电阻效应。研究首次证实，单枚晶体管在低至10毫开尔文的极低温环境下，能够模拟生物神经元低能耗的脉冲放电特性。

低温电子技术可应用于计算、传感、医学成像以及太空探测等领域。例如，超导纳米线单光子探测器能够实现接近量子噪声极限的单光子计数；适配低温环境的集成电路可在宇宙深空工作，这里的环境温度仅为宇宙微波背景辐射温度2.7开尔文。在低温环境下，器件能够突破室温下亚阈值摆幅的固有热极限，进而实现更高能效的计算。

低温电子技术面临的主要挑战，源自量子系统的接口对接与控制需求。超导量子比特、固态量子中心等量子器件，通常运行在毫开尔文（mK）级稀释制冷机中，而这类设备的制冷功率不足毫瓦。目前，绝大多数用于控制量子比特的低温电子器件，功耗可达数十至数百毫瓦，因此只能放置在稀释制冷机制冷功率更强的4开尔文温区平台上。这种布局需要在4开尔文平台与毫开尔文平台之间布设大量线路，不仅会向毫开尔文温区引入额外热负荷，还容易造成线路间串扰，最终制约量子电路的规模化扩展。为解决这一问题，业界亟需可部署在毫开尔文温区的高能效本地处理硬件，打通互联瓶颈，这对于大规模量子纠错以及实时量子控制尤为重要。

不同于传统同步电路，模拟神经元事件驱动脉冲放电特性的神经形态电路，更适合打造高能效低温电路。基于传统CMOS工艺的神经形态电路，需要用多枚晶体管才能搭建单个神经元，芯片集成密度偏低。目前已有多款低温CMOS电路在3开尔文至50毫开尔文温区完成验证，但这类器件仍需配套专属制冷方案来解决发热问题。

忆阻器、铁电器件、相变存储器、阻变存储器、自旋电子器件以及MOSFET等新型器件，仅用单颗或少量元器件即可构建神经元，为提升芯片集成密度创造了条件。与此同时，基于阻变存储器、铁电器件、自旋电子器件、量子反常霍尔效应器件研发的低温存储器，已在4开尔文低温环境下完成测试，为低温神经形态电路的研发提供了可行路径。超导器件与电路则是另一条技术路线，不过想要实现包含上千个量子比特的大规模超导电路，目前仍存在诸多技术难题。

若要将低温神经形态电路落地于量子技术与航天领域，器件需同时满足多项核心指标：有源计算器件必须具备极低漏电流、高开关电流比，且工作电压可兼容CMOS工艺。从集成电路层面来看，理想的硬件平台需集成各类可实现完整基础功能的神经形态单元、具备高芯片集成密度、保证不同器件与不同生产批次之间性能稳定，同时支持高良率的晶圆级量产。但迄今为止，还没有任何一种基础器件技术能够同时满足以上所有要求。尤其是诸多新型器件，普遍存在一致性差、难以实现晶圆级量产的问题。

该研究发现，已实现300毫米晶圆成熟量产的SiC MOSFET，在低温工作环境下可呈现栅极可控负微分电阻（NDR）效应。该效应与热致负微分电阻不同，源于碳化硅内部双掺杂能级碰撞电离所产生的载流子动力学行为。依托这一机理，器件形成S型负微分电阻特性，响应速度快，转变区开关电流比可达107以上，性能优于以往基于焦耳热效应、分子材料实现的负微分电阻器件，是构建低功耗脉冲型神经形态电路的理想选择。

Yuhao Zhang教授表示：“我们此次研发的硬件平台，可与量子处理器集成在一起。借助碳化硅独特的载流子动力学特性，我们打造的电路能效比传统电子设备高出数千倍，能够大幅降低低温系统的热负荷。”

研究人员发现，当碳化硅MOSFET被冷却至2开尔文以下时，器件会在施主电子碰撞电离效应的作用下，呈现出显著的S型负微分电阻特性。该工作机制依托材料自身的原子结构，无需依赖热量驱动，因此在不同批次产品中都具备出色的稳定性与可复现性。

Xin Yang说道：“这套方案可靠性强，且易于规模化落地。碳化硅目前已广泛应用于电动汽车、电网等领域，我们可依托现有工业晶圆厂，在300毫米晶圆产线上量产这类低温芯片。”

实验表明，该类神经元器件可级联搭建大规模网络，为极低温环境下的本地化复杂数据处理奠定基础。这项技术有望提升量子纠错能力与实时量子控制水平。

除量子计算领域外，该高稳定性电路同样适用于深空探测任务。月球表面及太阳系深空区域极度严寒，而这款电子器件可在此类极端低温环境下稳定工作。