哥倫比亞大學(xué)研發(fā)新型單芯片環(huán)行器，可使無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)容量翻倍

近日，美國哥倫比亞大學(xué)電氣工程系教授哈里什·克里希納斯瓦米（Harish Krishnaswamy）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)率先在一顆小型芯片上構(gòu)造出高性能的非互易器件，性能超越之前的研究成果25倍，為從“雙向無線通信”到“量子計(jì)算”的一系列應(yīng)用鋪路。

具有瓦特級(jí)功率控制的單芯片環(huán)行器的顯微圖片。

波，無論是光波還是聲波或者其他類型的波，都是以相同的方式向前和向后傳播，這被稱為“互易性原理”。

如果我們可以讓波僅沿著一個(gè)方向傳播，打破互易性，那么就可以改變我們?nèi)粘Ｉ钪性S多重要的應(yīng)用。

打破互易性，使我們可以構(gòu)造出新型“單向”元件，例如環(huán)行器和隔離器，從而實(shí)現(xiàn)雙向通信，使如今無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)容量翻倍。

這些元件對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說是必不可少的，我們希望在量子計(jì)算機(jī)中讀取一個(gè)量子位的同時(shí)又不會(huì)干擾到它。這些元件對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)來說也很關(guān)鍵，無論是應(yīng)用在無人駕駛汽車還是軍事領(lǐng)域。

功率控制是這些環(huán)行器最重要的指標(biāo)之一，而克里希納斯瓦米的新型芯片可以處理幾瓦的功率，對(duì)于輸出功率在一瓦左右的手機(jī)發(fā)射機(jī)來說已經(jīng)足夠。這款新型芯片成為了美國國防先期研究計(jì)劃局（DARPA）射頻信號(hào)處理（SPAR）項(xiàng)目中性能領(lǐng)先的芯片，

該項(xiàng)目旨在小型化這些器件并提升性能指標(biāo)。克里希納斯瓦米課題組是唯一一個(gè)將這些非互易器件集成到一顆小型芯片上，并證明性能指標(biāo)超越之前工作幾個(gè)數(shù)量級(jí)的團(tuán)隊(duì)。

這項(xiàng)研究于2020年2月以論文的形式發(fā)表在IEEE國際固態(tài)電路會(huì)議上，并于2020年5月4日發(fā)表在《自然·電子學(xué)（Nature Electronics）》期刊上。

克里希納斯瓦米的研究集中在為新型高頻無線應(yīng)用開發(fā)集成電子技術(shù)。他表示：“對(duì)于這些環(huán)行器來的實(shí)際應(yīng)用來說，它們需要能夠毫不費(fèi)力地處理幾瓦的功率。我們?cè)缙诠ぷ鞯谋憩F(xiàn)比這款新器件差25倍，我們2017年器件是一個(gè)令人振奮的科學(xué)珍品，但它并不完美?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)能夠搞清楚如何在一顆小型芯片中構(gòu)造這些單向器件，從而使它們能夠變得小型化、低成本以及廣泛應(yīng)用。它將改變從虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔到5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)再到量子計(jì)算機(jī)的各種電子應(yīng)用。”

下圖為團(tuán)隊(duì)2017年開發(fā)的基于時(shí)空電導(dǎo)調(diào)制的25GHz完全集成的非互易被動(dòng)無磁45納米 SOI CMOS 環(huán)行器的芯片顯微圖片。

傳統(tǒng)的“單向”器件是采用磁性材料例如鐵氧體材料構(gòu)造的，但是這些材料太龐大且昂貴，無法集成到現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝中。盡管不采用磁性材料來創(chuàng)造非互易性元件已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史，然而半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使它走在了最前沿。克里希納斯瓦米課題組一直專注于開發(fā)時(shí)變電路，特別是由時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)的電路，這些電路已經(jīng)被證明實(shí)現(xiàn)了非互易性響應(yīng)。

最初的發(fā)現(xiàn)是在2017年，當(dāng)克里希納斯瓦米的博士生 Negar Reiskarimian（如今是麻省理工學(xué)院的助理教授、《自然·電子學(xué)（Nature Electronics）》期刊論文的合著者之一）用一種稱為“N通道濾波器（N-path filter）”的新型電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)。她一直在嘗試構(gòu)造一種不同的器件，稱為“雙工器”，它能在兩個(gè)單獨(dú)的頻率上同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)。在研究這種電路時(shí)，她將它連接成環(huán)形，并觀察到了這種非互易性的循環(huán)行為。

克里希納斯瓦米表示：“一開始，我們不相信我們看到的，認(rèn)為模擬器壞了。但是當(dāng)我們花時(shí)間理解它時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)全新的東西，而且是一件真正的大事件。”

過去四年來，克里希納斯瓦米課題組一直在主要集中研究非互易性在全雙工無線通信等無線應(yīng)用中的應(yīng)用?，F(xiàn)在，在開出這種很有前景的新型小型芯片之后，他們正在將注意力轉(zhuǎn)向量子計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)在使用環(huán)行器和隔離器等元件來讀取量子位，而不會(huì)對(duì)其造成干擾。目前，這些低溫量子計(jì)算機(jī)中使用了磁性環(huán)行器和隔離器，但是它們尺寸太大而且昂貴，是實(shí)現(xiàn)具有大量量子位的量子計(jì)算機(jī)的瓶頸之一?？死锵＜{斯瓦米課題組正在研究采用超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)（這項(xiàng)技術(shù)也用于制造量子位）來實(shí)現(xiàn)可以直接集成到量子位中的芯片級(jí)低溫環(huán)行器，從而顯著地降低成本和尺寸。

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