近日，美國(guó)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(wú)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(wú)論是光波還是聲波或者其他類(lèi)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(wú)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(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)也很關(guān)鍵，無(wú)論是應(yīng)用在無(wú)人駕駛汽車(chē)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(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。這款新型芯片成為了美國(guó)國(guó)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(guó)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(wú)線應(yīng)用開(kāi)發(fā)集成電子技術(shù)。他表示：“對(duì)于這些環(huán)行器來(lái)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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。現(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(kāi)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(wú)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(wú)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(guò)去四年來(lái)，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(wú)線通信等無(wú)線應(yīng)用中的應(yīng)用。現(xiàn)在，在開(kāi)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(lái)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。克里希納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(lái)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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