Un chip inspirado en el cerebro opera cerca del cero absoluto y promete revolucionar la computación cuántica

Investigadores de la Universidad de Hong Kong (HKU) presentaron un avance significativo en la electrónica criogénica que podría ayudar a superar desafíos clave en la computación cuántica y respaldar futuras misiones en el espacio profundo. El equipo, perteneciente al Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computación y al Centro de Semiconductores Avanzados y Circuitos Integrados (CASIC), desarrolló una plataforma de hardware neuromórfico programable capaz de operar a temperaturas cercanas al cero absoluto.

La investigación fue liderada por el Profesor Yuhao Zhang y el estudiante de doctorado Xin Yang. Su trabajo introdujo un nuevo método para generar y controlar la resistencia diferencial negativa (NDR) en transistores de carburo de silicio (SiC) de uso industrial. Utilizando este enfoque, los investigadores demostraron por primera vez que un solo transistor puede reproducir la actividad de "pulsos" energéticamente eficientes de neuronas biológicas a temperaturas tan bajas como 10mK.

Hardware inspirado en el cerebro para la computación cuántica

Las computadoras cuánticas dependen de sofisticados sistemas electrónicos de control para gestionar qubits, que son altamente sensibles y deben mantenerse a temperaturas de milikelvins. Los sistemas de control basados en silicio existentes consumen una cantidad considerable de energía y generan calor no deseado, lo que hace necesario ubicarlos lejos de los qubits. Esta distancia crea extensos requerimientos de cableado que pueden obstaculizar el rendimiento y dificultar la construcción de computadoras cuánticas a gran escala.

"Nuestro trabajo introduce una plataforma de hardware que puede integrarse junto a los procesadores cuánticos", afirmó el Profesor Zhang. "Al utilizar la dinámica de portadores única en el carburo de silicio, podemos crear circuitos que son miles de veces más eficientes energéticamente que la electrónica convencional, reduciendo significativamente la carga térmica en los sistemas criogénicos."

El comportamiento único del carburo de silicio a bajas temperaturas

El equipo descubrió que los MOSFET de SiC presentan un fuerte efecto de NDR en forma de "S" cuando se enfrían por debajo de 2K. Este comportamiento es impulsado por la ionización por impacto de electrones donantes (EDII). A diferencia de otras tecnologías que dependen del calor generado dentro de un dispositivo, el mecanismo observado surge directamente de las propiedades atómicas del material. Como resultado, se mantiene altamente estable y puede reproducirse de manera consistente en diferentes lotes de fabricación.

"Este es un enfoque robusto y escalable", comentó Yang. "Dado que el SiC ya se utiliza a nivel mundial en vehículos eléctricos y redes eléctricas, podemos aprovechar las fundiciones industriales existentes para fabricar estos chips criogénicos en obleas de 300 mm."

De neuronas artificiales a misiones espaciales

El estudio también demostró que estas neuronas artificiales pueden conectarse entre sí, o "encadenarse", en redes más grandes. Esta capacidad podría permitir un procesamiento avanzado de datos locales a temperaturas criogénicas y mejorar funciones importantes de la computación cuántica, como la corrección de errores cuánticos y el control cuántico en tiempo real.

Las aplicaciones potenciales se extienden mucho más allá de la computación cuántica. Dado que los circuitos están diseñados para operar de manera confiable en entornos extremadamente fríos, también podrían ser valiosos para la exploración del espacio profundo. Los sistemas futuros podrían funcionar en las duras condiciones que se encuentran en la superficie de la Luna o en las regiones distantes de nuestro sistema solar.

Los hallazgos fueron publicados en Nature Communications en un artículo titulado "Circuitos neuromórficos criogénicos utilizando resistencia diferencial negativa controlada por puerta en carburo de silicio".