港大研極低溫神經形態晶片 破解量子電腦「線路瓶頸」

香港文匯報訊（記者 莫楠）量子位元極易受干擾，現代量子電腦須於接近絕對零度的極低溫環境中運作，方能維持量子位元穩定。要把量子電腦從實驗室推向應用，低溫電子學被視為突破系統擴展與控制瓶頸的關鍵一環。香港大學工程學院電機與電子工程系聯同先進半導體與積體電路研究中心，研發出一款可在接近絕對零度條件下運作的可編程「神經形態」（neuromorphic）硬件平台。團隊利用碳化矽獨特的載子動力學，構建出能效較傳統電子電路提升數千倍的設計，顯著降低低溫系統的熱負荷，為大規模量子電腦的普及提供潛在解決方案。相關成果已發表於《自然·通訊》。

現時矽基控制器因功耗高、散熱壓力大，往往被迫遠離量子位元安置，導致系統內需布設大量排線，形成俗稱的「線路瓶頸」，嚴重制約量子電腦的規模化與效能提升。由港大電機與電子工程系教授張宇昊及博士生楊鑫帶領的團隊，提出在工業標準碳化矽（SiC）MOSFET 中產生並調控負微分電阻（NDR）的新方法。張宇昊表示，團隊引入的是一種可與量子處理器更緊密整合的硬件平台，透過碳化矽材料的載子動力學特性，實現能效遠高於傳統方案的電路，有效降低低溫系統的熱負荷。

該技術首次證實，單一電晶體在低至10毫開爾文的極低溫下，仍可模擬生物神經元高效的「脈衝式」（spiking）運作模式。當碳化矽MOSFET冷卻至2開爾文以下時，在電子—施主碰撞電離（EDII）驅動下，器件會呈現明顯的「S形」負微分電阻行為。與以往依賴熱效應的機制不同，此現象源自材料本身的原子結構，即使在不同批次晶片的生產中，亦具高度穩定性與一致性。

團隊指出，這類「神經元」元件可進一步「級聯」組成更龐大的網絡，為在極低溫環境下進行複雜的本地數據處理奠定基礎，並有望提升量子糾錯與實時量子控制的效率。除量子計算外，由於電路結構強韌，亦適合拓展至深空探測應用，協助電子設備在月球表面或太陽系邊緣等極寒環境中維持可靠運作。

楊鑫補充，這是一套穩健且具可擴展性的方法。碳化矽目前已廣泛應用於電動車及電網等領域，意味可借助現有成熟的產業鏈與代工能力，在300毫米晶圓上製造相關低溫晶片，為後續規模化落地創造條件。