Las ondas, ya sean ondas de luz, ondas de sonido o cualquier otro tipo, viajan de la misma manera en direcciones hacia adelante y hacia atrás; esto se conoce como el principio de reciprocidad. Si pudiéramos enrutar las ondas en una sola dirección,romper la reciprocidad: podríamos transformar una serie de aplicaciones importantes en nuestra vida diaria. Romper la reciprocidad nos permitiría construir nuevos componentes "unidireccionales" como circuladores y aisladores que permitan la comunicación bidireccional, lo que podría duplicar la capacidad de datos deredes inalámbricas de hoy en día. Estos componentes son esenciales para las computadoras cuánticas, donde uno quiere leer un qubit sin perturbarlo. También son críticos para los sistemas de radar, ya sea en autos autónomos o en los utilizados por los militares.
Un equipo dirigido por Harish Krishnaswamy, profesor de ingeniería eléctrica, es el primero en construir un dispositivo no recíproco de alto rendimiento en un chip compacto con un rendimiento 25 veces mejor que el trabajo anterior. El manejo de potencia es una de las métricas más importantespara estos circuladores y el nuevo chip de Krishnaswamy puede manejar varios vatios de potencia, suficiente para los transmisores de teléfonos celulares que emiten un vatio de potencia. El nuevo chip fue el líder en un programa DARPA SPAR Procesamiento de señal en RF para miniaturizar estos dispositivosy mejorar las métricas de rendimiento. El grupo de Krishnaswamy fue el único que integró estos dispositivos no recíprocos en un chip compacto y también demostró métricas de rendimiento que fueron de orden de magnitud superior al trabajo anterior. El estudio fue presentado en un documento en el IEEE International Solid-Conferencia de Circuitos Estatales en febrero de 2020 y publicada el 4 de mayo de 2020 en Electrónica de la naturaleza .
"Para que estos circuladores se utilicen en aplicaciones prácticas, deben ser capaces de manejar vatios de potencia sin sudar", dice Krishnaswamy, cuya investigación se centra en el desarrollo de tecnologías electrónicas integradas para nuevas aplicaciones inalámbricas de alta frecuencia ".El trabajo anterior se realizó a un ritmo 25 veces menor que este nuevo: nuestro dispositivo 2017 fue una curiosidad científica emocionante, pero no estaba listo para el horario estelar. Ahora hemos descubierto cómo construir estos dispositivos unidireccionales en un chip compacto, lo que les permite ser pequeños, de bajo costo y generalizados. Esto transformará todo tipo de aplicaciones electrónicas, desde auriculares VR a redes celulares 5G a computadoras cuánticas ".
Los dispositivos "unidireccionales" tradicionales se construyen con materiales magnéticos, como las ferritas, pero estos materiales no pueden integrarse en los procesos modernos de fabricación de semiconductores porque son demasiado voluminosos y costosos. Al mismo tiempo que crean componentes no recíprocos sin el uso de materiales magnéticostiene una larga historia, los avances en la tecnología de semiconductores lo han puesto a la vanguardia. El grupo de Krishnaswamy se ha centrado en desarrollar circuitos que varían en el tiempo, específicamente circuitos impulsados por una señal de reloj, que han demostrado lograr respuestas no recíprocas.
El descubrimiento original se hizo en 2017, cuando el estudiante de doctorado de Krishnaswamy, Negar Reiskarimian, quien ahora es profesor asistente en el MIT y coautor de la Electrónica de la naturaleza estudio, estaba experimentando con un nuevo tipo de circuito llamado filtro de N-path. Estaba tratando de construir un tipo diferente de dispositivo llamado duplexor, que permite la transmisión y recepción simultáneas pero en dos frecuencias separadas. Al jugar con esocircuito, lo conectó en un bucle y vio este comportamiento de circulación no recíproco.
"Al principio no creíamos lo que estábamos viendo y estábamos convencidos de que el simulador estaba roto", dice Krishnaswamy. "Pero cuando nos tomamos el tiempo para entenderlo, nos dimos cuenta de que esto era algo nuevo y realmente grande".
En los últimos cuatro años, el grupo de Krishnaswamy se ha centrado principalmente en las aplicaciones de no reciprocidad en aplicaciones inalámbricas, como la tecnología inalámbrica full-duplex. Ahora, después de desarrollar este nuevo y prometedor chip compacto, están centrando su atención en la computación cuánticaLas computadoras cuánticas usan componentes como circuladores y aisladores para leer qubits sin molestarlos. Los circuladores y aisladores magnéticos se utilizan actualmente en estas computadoras cuánticas criogénicas, pero son de gran tamaño y costosos, lo que representa uno de los obstáculos para realizar computadoras cuánticas con ungran cantidad de qubits. El grupo de Krishnaswamy está estudiando el uso de superconductores Josephson Junctions, la misma tecnología utilizada para hacer el qubit, para realizar circuladores criogénicos a escala de chip que pueden integrarse directamente con qubits, reduciendo drásticamente el costo y el tamaño.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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