香港大学(HKU)電気コンピュータ工学部の固体電子工学研究者らが、先端半導体・集積回路センター(CASIC)と協力し、極低温エレクトロニクスにおける重要な材料物理学的ブレークスルーを達成した。Yuhao Zhang教授とPhD学生のXin Yangが率いるチームは、絶対零度近く(10 mK)で動作するプログラム可能な脳型ニューロモルフィックハードウェアプラットフォームを開発した。Nature Communicationsに掲載されたこの研究は、産業標準の炭化ケイ素(SiC)パワートランジスタの固有の原子特性を活用して、量子希釈冷凍機内にエネルギー効率の高い局所データ処理ネットワークを構築する方法を実証している。この成果は、現在、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実用的な道筋を示している。
この研究の基礎は、2 K以下の温度で標準的な商用SiC MOSFETの内部にS字型負性微分抵抗(NDR)を生成・調整する安定したメカニズムの発見に依拠している。従来のシリコンベースの制御回路は、機能するために熱的キャリア励起に依存している。極低温環境にさらされると、これらの標準的なコントローラはキャリアの凍結を経験し、オペレータは高密度制御電子機器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る。この空間的分離には、熱的ギャップを埋めるために数千本の同軸ケーブルが必要となり、スケール不可能な熱的・物理的配線ボトルネックが生じる。
HKUチームは、SiC MOSFETをミリケルビン領域まで冷却すると、電子ドナー衝突イオン化(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た。トランジスタのゲート電圧を調整することで、炭化ケイ素の原子格子内のキャリアダイナミクスを正確に制御し、生物学的ニューロンのエネルギー効率の高い「スパイク」と活動電位の動作を模倣することができる。EDIIメカニズムは熱的副作用ではなくSiC結晶格子の固有の物理特性であるため、極めて安定しており、予測可能で、異なる製造バッチ間で高い再現性を持つ。
HKUプラットフォームの主な利点は、既存の商用半導体ファウンドリとの構造的互換性である。完全に新しい製造ワークフローを必要とする特殊な超伝導論理ブロックや量子ドット電子デバイスとは異なり、これらのニューロモルフィック極低温コントローラは、確立された自動車および電力網サプライチェーンを使用して、標準的な300 mmウェハ上で直ちに製造できる。この研究は、これらの単一トランジスタニューロモルフィックノードを、チップ上で直接複雑な統合ニューラルネットワークにカスケード接続できることを実証している。
従来のシリコンアーキテクチャよりも数千倍エネルギー効率良く動作するこの局所ニューロモルフィック処理ブロックは、極低温希釈装置内の熱負荷を劇的に削減し、リアルタイム量子制御アルゴリズムと高密度量子誤り訂正(QEC)マトリックス復号の局所実行を可能にする。自主的な量子インフラの確立を超えて、炭化ケイ素の堅牢で耐放射線性の特性により、これらの生体模倣チップは深宇宙探査ペイロードに理想的に適しており、自律機器が月面や外太陽系天体の極端で加熱されていない環境で生存することを可能にする。
結晶キャリアダイナミクス、ゲート制御S字型電流電圧スイープ、およびカスケードスパイク波形の詳細を記した完全な査読付き研究論文は、Nature Communicationsから直接アクセスできる。企業向けシンジケーションログ、機関メディアアーカイブ、および関連する半導体ファウンドリのマイルストーンブリーフについては、HKU Pressroomでホストされている主要エンジニアリングダッシュボードを参照されたい。
2026年6月12日
