基于Paragraf石墨烯的霍尔效应传感器的应用

根据 IBM 等先驱者的说法，在不久的将来，我们可以期待量子计算机能够完成许多传统晶体管计算机在今天所面临的繁重工作。一个很好的例子是对复杂系统进行建模或提供训练大型神经网络所需的处理器能力。IBM 的量子计算路线图的目标是到 2023 年实现 1，000 个量子比特 （qubit） 的机器。

有一些已经由专用硬件处理的处理任务的例子。例如，图形处理通过专用芯片加速，用于图像处理和显示渲染。然而，研究人员预计，与传统硬件加速器相比，量子计算机的使用方式非常不同。通过一个简单的比较，我们可以认为量子计算机优于当今具有硬件加速器的多核处理器，就像现代 PC 优于基于阀的计算机一样。

各种类型和各种复杂程度的传统电子电路的共同点是它们的物理性质。观察电子并在物理材料或设备中存储由电子表示的值相对容易。在量子世界中，事情并不那么简单。

量子世界是一个有趣的地方，而不仅仅是开和关状态，叠加、纠缠和退相干等奇异的术语被用来描述量子水平上发生的事情。

说的太简单了，叠加就是一个量子比特，可以同时表示几个状态。这可以比作一个多级闪存单元，它使用 4 位来表示 0 到 15 之间的任何数字，同时表示所有 16 个状态。当我们谈论纠缠时，事情变得更加有趣，纠缠是指“量子”连接的两个量子位。这意味着我们的第一个量子位在任何给定时间代表的 16 个状态中的任何一个都将被第二个量子位同时复制​​，即使它与第一个量子位在物理上是分开的。

量子测量在现实世界中变得更具挑战性，因为量子系统需要与任何不需要的外部影响隔离，这可能导致量子效应停止工作。称为退相干。这就是量子计算开始变得复杂的地方。为了使任何计算机有用，我们必须能够观察计算结果，而退相干使这项任务变得更加困难。

石墨烯霍尔效应传感器在观察量子比特中的作用

操纵量子位以实现量子计算很困难，通常使用微波和/或矢量磁体来实现。实现对量子位状态的密切控制，以避免发生退相干等情况，是提供强大、有效的量子计算的关键。然而，如果整个结构在接近绝对零的温度下操作，则在某种程度上有利的是，当量子位纠缠时观察它们的叠加状态而不引起退相干，则不太困难。

利用矢量磁体控制量子位状态意味着磁场和量子计算密不可分。矢量磁铁设备使用电控磁场来操纵量子位并达到所需的状态。这种量子计算方法仍处于起步阶段，正在被广泛研究。在量子水平上工作意味着即使是非常小的干扰也会对系统产生重大影响。例如，地球磁场对矢量磁控量子计算机的高效运行是一个相当大的挑战。为了解决这个问题，控制体积——量子比特所在的位置——被磁屏蔽以抵消外部场的影响。

因此，要实现性能最高、具有最大功效和最小退相干性的量子计算机，需要能够在极低温度下存在和运行的磁屏蔽。这种必要的密切性能监测、测量和控制在低温下极具挑战性，对于传统的传感设备来说非常困难。

这就是基于 Paragraf 石墨烯的霍尔效应传感器 （GHS） 发挥作用的地方。通过使用石墨烯作为活性材料，GHS 在一直到绝对零的温度下都能以非常高的精度运行。

在低温下运行时功耗更低

Paragraf 的 GHS 技术已证明其能够在低温下运行并提供具有高分辨率和灵敏度的准确、可重复的测量。这一点至关重要，因为针对该应用领域的其他霍尔效应传感器的灵敏度要低得多，因此需要更大的功率来放大其较小的信号输出。

增加的功率要求会导致产生大量热量，这在大多数应用中都不是问题。但是，当应用要求温度接近绝对零时，任何多余的热能都会成为问题。标准霍尔效应传感器需要许多 mA 的功率才能运行，从而产生大量热量。相比之下，Paragraf 的 GHS 只需要 nA 的电流并消耗 pW 级别的功率，比其他低温磁传感器好六个数量级。

GHS 还拥有卓越的测距能力。在室温下，传感器可以测量超过 9 T 的场。更重要的是，灵敏度随着温度的降低而增加，从室温下降到 1.8 K 时灵敏度增加了一倍以上。

GHS 传感器已经在 -1 T 到 9 T 的磁场中进行了广泛的测试，在低于 50 K 的各种温度下进行了测试。结果表明在整个范围内具有非常高的灵敏度，表明该技术的适用性可以在量子计算应用中映射和校准磁体。重要的是，通过从高温 （300 K） 到低温 （1.8K） 的重复温度循环，传感器的行为是精确的、可重复的和稳定的。

Paragraf 的传感器返回亚 ppm 范围内的测量分辨率，远远超过传统霍尔效应传感器的性能。

石墨烯继续证明自己是一种了不起的材料。在许多方面，我们利用它的方式将与我们未来使用量子计算的方式一样多样化和重要。由于它能够在低温下发挥作用，并具有令人难以置信的性能，这一天可能比预期的要早。

审核编辑：郭婷