基于Paragraf石墨烯的霍爾效應傳感器的應用

根據(jù) IBM 等先驅者的說法，在不久的將來，我們可以期待量子計算機能夠完成許多傳統(tǒng)晶體管計算機在今天所面臨的繁重工作。一個很好的例子是對復雜系統(tǒng)進行建?；蛱峁┯柧毚笮?a href="http://ttokpm.com/tags/神經(jīng)網(wǎng)絡/" target="_blank">神經(jīng)網(wǎng)絡所需的處理器能力。IBM 的量子計算路線圖的目標是到 2023 年實現(xiàn) 1，000 個量子比特 （qubit） 的機器。

有一些已經(jīng)由專用硬件處理的處理任務的例子。例如，圖形處理通過專用芯片加速，用于圖像處理和顯示渲染。然而，研究人員預計，與傳統(tǒng)硬件加速器相比，量子計算機的使用方式非常不同。通過一個簡單的比較，我們可以認為量子計算機優(yōu)于當今具有硬件加速器的多核處理器，就像現(xiàn)代 PC 優(yōu)于基于閥的計算機一樣。

各種類型和各種復雜程度的傳統(tǒng)電子電路的共同點是它們的物理性質。觀察電子并在物理材料或設備中存儲由電子表示的值相對容易。在量子世界中，事情并不那么簡單。

量子世界是一個有趣的地方，而不僅僅是開和關狀態(tài)，疊加、糾纏和退相干等奇異的術語被用來描述量子水平上發(fā)生的事情。

說的太簡單了，疊加就是一個量子比特，可以同時表示幾個狀態(tài)。這可以比作一個多級閃存單元，它使用 4 位來表示 0 到 15 之間的任何數(shù)字，同時表示所有 16 個狀態(tài)。當我們談論糾纏時，事情變得更加有趣，糾纏是指“量子”連接的兩個量子位。這意味著我們的第一個量子位在任何給定時間代表的 16 個狀態(tài)中的任何一個都將被第二個量子位同時復制??，即使它與第一個量子位在物理上是分開的。

量子測量在現(xiàn)實世界中變得更具挑戰(zhàn)性，因為量子系統(tǒng)需要與任何不需要的外部影響隔離，這可能導致量子效應停止工作。稱為退相干。這就是量子計算開始變得復雜的地方。為了使任何計算機有用，我們必須能夠觀察計算結果，而退相干使這項任務變得更加困難。

石墨烯霍爾效應傳感器在觀察量子比特中的作用

操縱量子位以實現(xiàn)量子計算很困難，通常使用微波和/或矢量磁體來實現(xiàn)。實現(xiàn)對量子位狀態(tài)的密切控制，以避免發(fā)生退相干等情況，是提供強大、有效的量子計算的關鍵。然而，如果整個結構在接近絕對零的溫度下操作，則在某種程度上有利的是，當量子位糾纏時觀察它們的疊加狀態(tài)而不引起退相干，則不太困難。

利用矢量磁體控制量子位狀態(tài)意味著磁場和量子計算密不可分。矢量磁鐵設備使用電控磁場來操縱量子位并達到所需的狀態(tài)。這種量子計算方法仍處于起步階段，正在被廣泛研究。在量子水平上工作意味著即使是非常小的干擾也會對系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。例如，地球磁場對矢量磁控量子計算機的高效運行是一個相當大的挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，控制體積——量子比特所在的位置——被磁屏蔽以抵消外部場的影響。

因此，要實現(xiàn)性能最高、具有最大功效和最小退相干性的量子計算機，需要能夠在極低溫度下存在和運行的磁屏蔽。這種必要的密切性能監(jiān)測、測量和控制在低溫下極具挑戰(zhàn)性，對于傳統(tǒng)的傳感設備來說非常困難。

這就是基于 Paragraf 石墨烯的霍爾效應傳感器 （GHS） 發(fā)揮作用的地方。通過使用石墨烯作為活性材料，GHS 在一直到絕對零的溫度下都能以非常高的精度運行。

在低溫下運行時功耗更低

Paragraf 的 GHS 技術已證明其能夠在低溫下運行并提供具有高分辨率和靈敏度的準確、可重復的測量。這一點至關重要，因為針對該應用領域的其他霍爾效應傳感器的靈敏度要低得多，因此需要更大的功率來放大其較小的信號輸出。

增加的功率要求會導致產(chǎn)生大量熱量，這在大多數(shù)應用中都不是問題。但是，當應用要求溫度接近絕對零時，任何多余的熱能都會成為問題。標準霍爾效應傳感器需要許多 mA 的功率才能運行，從而產(chǎn)生大量熱量。相比之下，Paragraf 的 GHS 只需要 nA 的電流并消耗 pW 級別的功率，比其他低溫磁傳感器好六個數(shù)量級。

GHS 還擁有卓越的測距能力。在室溫下，傳感器可以測量超過 9 T 的場。更重要的是，靈敏度隨著溫度的降低而增加，從室溫下降到 1.8 K 時靈敏度增加了一倍以上。

GHS 傳感器已經(jīng)在 -1 T 到 9 T 的磁場中進行了廣泛的測試，在低于 50 K 的各種溫度下進行了測試。結果表明在整個范圍內(nèi)具有非常高的靈敏度，表明該技術的適用性可以在量子計算應用中映射和校準磁體。重要的是，通過從高溫 （300 K） 到低溫 （1.8K） 的重復溫度循環(huán)，傳感器的行為是精確的、可重復的和穩(wěn)定的。

Paragraf 的傳感器返回亞 ppm 范圍內(nèi)的測量分辨率，遠遠超過傳統(tǒng)霍爾效應傳感器的性能。

石墨烯繼續(xù)證明自己是一種了不起的材料。在許多方面，我們利用它的方式將與我們未來使用量子計算的方式一樣多樣化和重要。由于它能夠在低溫下發(fā)揮作用，并具有令人難以置信的性能，這一天可能比預期的要早。

審核編輯：郭婷