Команда под руководством профессора электротехники Хариша Кришнасвами первой создала высокопроизводительное невзаимное устройство на компактном чипе с производительностью, в 25 раз превосходящей предыдущую. Мощность – один из наиболее важных показателей для этих циркуляторов, и новый чип Кришнасвами может обрабатывать мощность в несколько ватт, чего достаточно для передатчиков мобильных телефонов, вырабатывающих около ватт мощности. Новый чип стал ведущим исполнителем в программе DARPA SPAR (обработка сигналов в RF), направленной на миниатюризацию этих устройств и улучшение показателей производительности.
Группа Кришнасвами была единственной, кто интегрировал эти невзаимные устройства на компактном чипе, а также продемонстрировал показатели производительности, которые на порядки превосходили предыдущие. Исследование было представлено в документе на Международной конференции по твердотельным схемам IEEE в феврале 2020 года и опубликовано 4 мая 2020 года в журнале Nature Electronics.
«Чтобы эти циркуляционные насосы могли использоваться в практических приложениях, они должны быть в состоянии обрабатывать ватты энергии, не беспокоясь», – говорит Кришнасвами, чьи исследования сосредоточены на разработке интегрированных электронных технологий для новых высокочастотных беспроводных приложений. «Наша предыдущая работа выполнялась в 25 раз ниже, чем эта новая – наше устройство 2017 года было захватывающим научным курьезом, но оно не было готово к использованию в прайм-тайм. Теперь мы выяснили, как собрать эти односторонние устройства в компактном чипе, чтобы они стали небольшими, недорогими и широко распространенными.
Это преобразует все виды электронных приложений, от гарнитур виртуальной реальности до сотовых сетей 5G и квантовых компьютеров."
Традиционные односторонние устройства создаются с использованием магнитных материалов, таких как ферриты, но эти материалы не могут быть интегрированы в современные процессы производства полупроводников, поскольку они слишком громоздки и дороги. Хотя создание невзаимных компонентов без использования магнитных материалов имеет долгую историю, достижения в области полупроводниковой технологии выдвинули его на передний план.
Группа Кришнасвами была сосредоточена на разработке схем, изменяющихся во времени, в частности схем, управляемых тактовым сигналом, которые, как было показано, достигают невзаимных откликов.
Первоначальное открытие было сделано в 2017 году, когда аспирант Кришнасвами Негар Рейскаримиан, который сейчас является доцентом Массачусетского технологического института и соавтором исследования Nature Electronics, экспериментировал с новым типом схемы, называемым N-канальным фильтром.
Она пыталась создать устройство другого типа, называемое дуплексером, которое обеспечивает одновременную передачу и прием, но на двух разных частотах. Играя с этой схемой, она соединила ее в петлю и увидела это невзаимное поведение циркуляции.
«Сначала мы не верили в то, что видели, и были уверены, что симулятор сломан», – говорит Кришнасвами. "Но когда мы нашли время, чтобы понять это, мы поняли, что это было что-то новое и действительно большое."
За последние четыре года группа Кришнасвами в основном сосредоточилась на приложениях невзаимности в беспроводных приложениях, таких как полнодуплексная беспроводная связь. Теперь, разработав этот многообещающий новый компактный чип, они обращают внимание на квантовые вычисления. Квантовые компьютеры используют такие компоненты, как циркуляторы и изоляторы, чтобы читать кубиты, не беспокоя их.
Магнитные циркуляторы и изоляторы в настоящее время используются в этих криогенных квантовых компьютерах, но они большие по размеру и дороги, что создает одно из узких мест для реализации квантовых компьютеров с большим количеством кубитов. Группа Кришнасвами изучает возможность использования сверхпроводящих переходов Джозефсона, той же технологии, которая используется для создания кубита, для создания криогенных циркуляторов в масштабе чипа, которые можно напрямую интегрировать с кубитами, что значительно снижает стоимость и размер.