“单向”电子设备进入主流

具有瓦特级功率处理功能的哥伦比亚工程公司单芯片循环器的显微照片。

波浪，无论是光波，声波还是任何其他种类的波，都以相同的方式沿正反方向传播，这就是所谓的互惠原理。如果我们只能在一个方向上传播波浪（打破互惠性），我们就可以改变日常生活中许多重要的应用。打破对等关系将使我们能够构建新颖的“单向”组件，例如支持双向通信的循环器和隔离器，这可能会使当今无线网络的数据容量增加一倍。这些组件对于量子计算机是必不可少的，在量子计算机中，人们想读取一个量子比特而不打扰它。对于无人驾驶汽车或军方使用的雷达系统，它们也很重要。

电气工程学教授Harish Krishnaswamy领导的团队是第一个制造高性能不可逆设备的团队在紧凑型芯片上的性能比以前的工作提高了25倍。功率处理是这些循环器最重要的指标之一，克里希纳斯瓦米（Krishnaswamy）的新芯片可以处理几瓦的功率，足以满足消耗功率约一瓦的手机发射机的要求。新芯片是DARPA SPAR（RF信号处理）计划中的佼佼者，旨在使这些设备小型化并提高性能指标。克里希纳斯瓦米（Krishnaswamy）的小组是唯一将这些不可逆的设备集成在紧凑型芯片上的小组，并且还演示了性能指标，该指标比先前的工作要好几个数量级。这项研究发表在2020年2月的IEEE国际固态电路会议上的一篇论文中，并于2020年5月4日发表在Nature Electronics上。

克里希纳斯瓦米说：“要使这些循环器在实际应用中使用，它们必须能够处理瓦数的功率而不会冒汗。”他的研究重点是为新的高频无线应用开发集成电子技术。“我们的早期工作比新设备的性能低25倍，我们的2017年设备令人兴奋，令人好奇，但还没有准备好迎接黄金时代。现在，我们已经找到了如何在紧凑的系统中构建这些单向设备的方法。芯片，从而使它们体积更小，成本更低并且普及。这将改变各种电子应用，从VR耳机到5G蜂窝网络再到量子计算机。”

传统的“单向”设备是使用磁性材料（例如铁氧体）构建的，但是由于这些材料过于庞大且昂贵，因此无法集成到现代半导体制造工艺中。尽管在不使用磁性材料的情况下制造不可逆组件的历史由来已久，但半导体技术的进步已将其推向了最前沿。克里希纳斯瓦米（Krishnaswamy）的小组一直致力于开发时变电路，特别是由时钟信号驱动的电路，这些电路已显示出可实现不可逆的响应。

最初的发现是在2017年Krishnaswamy的博士 学生Negar Reiskarimian现在是麻省理工学院的助理教授，也是《自然电子》研究的合著者，他正在尝试一种称为N路径滤波器的新型电路。她正在尝试制造另一种称为双工器的设备，该设备可以同时在两个不同的频率上进行发送和接收。在玩弄该回路时，她将其循环连接，并观察到这种不可逆的循环行为。

克里希纳斯瓦米说：“起初，我们不相信自己所看到的，并确信模拟器已损坏。” “但是当我们花时间去理解它时，我们意识到这是一个新事物，而且确实非常重要。”

在过去的四年中，克里希纳斯瓦米（Krishnaswamy）的团队主要致力于无线通信中的不可逆应用，例如全双工无线。现在，已经开发出了这种有前途的新型紧凑型芯片，他们将注意力转向了量子计算。。量子计算机使用循环器和隔离器等组件来读取量子位，而不会干扰它们。磁环行器和隔离器当前在这些低温量子计算机中使用，但是它们体积大且价格昂贵，成为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（Krishnaswamy）的小组正在研究使用超导的约瑟夫逊结（Josephson Junctions）（用于制造量子比特的相同技术）来实现可直接与量子比特直接集成的芯片级低温循环器，从而大大降低成本和尺寸。