كشفت جامعة هونج كونج عن تطور متقدم في مجال الإلكترونيات فائقة البرودة قد يساعد في تجاوز التحديات الرئيسية التي تواجه الحوسبة الكمومية والمهام الاستكشافية البعيدة في الفضاء. طورت فريق من قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات بالجامعة ومركز أشباه الموصلات المتقدمة منصة برمجية عصبية الشكل قادرة على العمل في درجات حرارة تقارب الصفر المطلق.

قاد البحث الأستاذ يوهاو تشانج والطالب الدكتور زين يانج، وقدما طريقة جديدة لتوليد والتحكم في ظاهرة المقاومة التفاضلية السالبة في ترانزستورات كربيد السيليكون المعيارية. أثبت الفريق للمرة الأولى أن ترانزستور واحد يستطيع محاكاة النشاط الكهربائي الفعال "المتفجر" للخلايا العصبية البيولوجية في درجات حرارة منخفضة تصل إلى 10 ملي كلفن.

تعتمد الحواسيب الكمومية على أنظمة إلكترونية متطورة للتحكم في الكيوبتات، وهي حساسة جداً وتتطلب الحفاظ عليها في درجات حرارة منخفضة جداً. تستهلك أنظمة التحكم التقليدية القائمة على السيليكون طاقة كبيرة وتولد حرارة غير مرغوبة، مما يستلزم وضعها بعيداً عن الكيوبتات ذاتها. يؤدي هذا التباعد إلى متطلبات توصيل واسعة قد تعيق الأداء وتجعل بناء حواسيب كمومية واسعة النطاق أكثر صعوبة. قال الأستاذ تشانج إن المنصة الجديدة قابلة للدمج مباشرة بجانب معالجات الحوسبة الكمومية، وباستخدام الخصائص الفريدة لكربيد السيليكون يمكن إنشاء دوائر تتمتع بكفاءة طاقة تتجاوز الأنظمة التقليدية بآلاف المرات، مما يقلل بشكل كبير من الحمل الحراري على الأنظمة البرودة الشديدة.

اكتشف الفريق أن ترانزستورات كربيد السيليكون تظهر تأثير مقاومة تفاضلية سالبة بشكل قوي عند تبريدها دون درجتي كلفن، وهذا السلوك ناجم عن تأين الإلكترونات المانحة بالتأثر. بخلاف التقنيات الأخرى التي تعتمد على الحرارة المتولدة داخل الجهاز، فإن الآلية المكتشفة حديثاً تنشأ مباشرة من الخصائص الذرية للمادة، مما يجعلها شديدة الاستقرار وقابلة للتكرار بثبات عبر دفعات التصنيع المختلفة.

أوضح يانج أن هذا النهج قوي وقابل للتوسع، وبما أن كربيد السيليكون مستخدم بالفعل عالمياً في المركبات الكهربائية والشبكات الكهربائية، يمكن الاستفادة من المصانع الصناعية الموجودة لتصنيع هذه الرقاقات على رقائق بحجم 300 ملم. أظهرت الدراسة أيضاً إمكانية ربط هذه الخلايا العصبية الاصطناعية معاً في شبكات أكبر، وهذه القدرة قد تمكّن معالجة بيانات محلية متقدمة في درجات حرارة منخفضة جداً وتحسن الوظائف الكمومية المهمة. وتتجاوز التطبيقات المحتملة الحوسبة الكمومية، إذ قد تكون هذه الدوائر ذات قيمة كبيرة لاستكشاف الفضاء البعيد نظراً لتصميمها للعمل بموثوقية في البيئات شديدة البرودة، وقد تعمل في الظروف القاسية على سطح القمر أو في المناطق البعيدة من نظامنا الشمسي.