哥伦比亚大学研发新型单芯片环行器，可使无线网络的数据容量翻倍

近日，美国哥伦比亚大学电气工程系教授哈里什·克里希纳斯瓦米（Harish Krishnaswamy）领导的团队率先在一颗小型芯片上构造出高性能的非互易器件，性能超越之前的研究成果25倍，为从“双向无线通信”到“量子计算”的一系列应用铺路。

具有瓦特级功率控制的单芯片环行器的显微图片。

波，无论是光波还是声波或者其他类型的波，都是以相同的方式向前和向后传播，这被称为“互易性原理”。

如果我们可以让波仅沿着一个方向传播，打破互易性，那么就可以改变我们日常生活中许多重要的应用。

打破互易性，使我们可以构造出新型“单向”元件，例如环行器和隔离器，从而实现双向通信，使如今无线网络的数据容量翻倍。

这些元件对于量子计算机来说是必不可少的，我们希望在量子计算机中读取一个量子位的同时又不会干扰到它。这些元件对于雷达系统来说也很关键，无论是应用在无人驾驶汽车还是军事领域。

功率控制是这些环行器最重要的指标之一，而克里希纳斯瓦米的新型芯片可以处理几瓦的功率，对于输出功率在一瓦左右的手机发射机来说已经足够。这款新型芯片成为了美国国防先期研究计划局（DARPA）射频信号处理（SPAR）项目中性能领先的芯片，

该项目旨在小型化这些器件并提升性能指标。克里希纳斯瓦米课题组是唯一一个将这些非互易器件集成到一颗小型芯片上，并证明性能指标超越之前工作几个数量级的团队。

这项研究于2020年2月以论文的形式发表在IEEE国际固态电路会议上，并于2020年5月4日发表在《自然·电子学（Nature Electronics）》期刊上。

克里希纳斯瓦米的研究集中在为新型高频无线应用开发集成电子技术。他表示：“对于这些环行器来的实际应用来说，它们需要能够毫不费力地处理几瓦的功率。我们早期工作的表现比这款新器件差25倍，我们2017年器件是一个令人振奋的科学珍品，但它并不完美。现在，我们已经能够搞清楚如何在一颗小型芯片中构造这些单向器件，从而使它们能够变得小型化、低成本以及广泛应用。它将改变从虚拟现实头盔到5G蜂窝网络再到量子计算机的各种电子应用。”

下图为团队2017年开发的基于时空电导调制的25GHz完全集成的非互易被动无磁45纳米 SOI CMOS 环行器的芯片显微图片。

传统的“单向”器件是采用磁性材料例如铁氧体材料构造的，但是这些材料太庞大且昂贵，无法集成到现代半导体制造工艺中。尽管不采用磁性材料来创造非互易性元件已经有很长的历史，然而半导体技术的进步使它走在了最前沿。克里希纳斯瓦米课题组一直专注于开发时变电路，特别是由时钟信号驱动的电路，这些电路已经被证明实现了非互易性响应。

最初的发现是在2017年，当克里希纳斯瓦米的博士生 Negar Reiskarimian（如今是麻省理工学院的助理教授、《自然·电子学（Nature Electronics）》期刊论文的合著者之一）用一种称为“N通道滤波器（N-path filter）”的新型电路进行实验时。她一直在尝试构造一种不同的器件，称为“双工器”，它能在两个单独的频率上同时发送和接收信号。在研究这种电路时，她将它连接成环形，并观察到了这种非互易性的循环行为。

克里希纳斯瓦米表示：“一开始，我们不相信我们看到的，认为模拟器坏了。但是当我们花时间理解它时，我们发现这是一个全新的东西，而且是一件真正的大事件。”

过去四年来，克里希纳斯瓦米课题组一直在主要集中研究非互易性在全双工无线通信等无线应用中的应用。现在，在开出这种很有前景的新型小型芯片之后，他们正在将注意力转向量子计算。量子计算机在使用环行器和隔离器等元件来读取量子位，而不会对其造成干扰。目前，这些低温量子计算机中使用了磁性环行器和隔离器，但是它们尺寸太大而且昂贵，是实现具有大量量子位的量子计算机的瓶颈之一。克里希纳斯瓦米课题组正在研究采用超导约瑟夫森结（这项技术也用于制造量子位）来实现可以直接集成到量子位中的芯片级低温环行器，从而显著地降低成本和尺寸。

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