基于Paragraf石墨烯的霍爾效應(yīng)傳感器的應(yīng)用

根據(jù) IBM 等先驅(qū)者的說(shuō)法，在不久的將來(lái)，我們可以期待量子計(jì)算機(jī)能夠完成許多傳統(tǒng)晶體管計(jì)算機(jī)在今天所面臨的繁重工作。一個(gè)很好的例子是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建?；蛱峁┯?xùn)練大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的處理器能力。IBM 的量子計(jì)算路線圖的目標(biāo)是到 2023 年實(shí)現(xiàn) 1，000 個(gè)量子比特 （qubit） 的機(jī)器。

有一些已經(jīng)由專用硬件處理的處理任務(wù)的例子。例如，圖形處理通過(guò)專用芯片加速，用于圖像處理和顯示渲染。然而，研究人員預(yù)計(jì)，與傳統(tǒng)硬件加速器相比，量子計(jì)算機(jī)的使用方式非常不同。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，我們可以認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)優(yōu)于當(dāng)今具有硬件加速器的多核處理器，就像現(xiàn)代 PC 優(yōu)于基于閥的計(jì)算機(jī)一樣。

各種類型和各種復(fù)雜程度的傳統(tǒng)電子電路的共同點(diǎn)是它們的物理性質(zhì)。觀察電子并在物理材料或設(shè)備中存儲(chǔ)由電子表示的值相對(duì)容易。在量子世界中，事情并不那么簡(jiǎn)單。

量子世界是一個(gè)有趣的地方，而不僅僅是開和關(guān)狀態(tài)，疊加、糾纏和退相干等奇異的術(shù)語(yǔ)被用來(lái)描述量子水平上發(fā)生的事情。

說(shuō)的太簡(jiǎn)單了，疊加就是一個(gè)量子比特，可以同時(shí)表示幾個(gè)狀態(tài)。這可以比作一個(gè)多級(jí)閃存單元，它使用 4 位來(lái)表示 0 到 15 之間的任何數(shù)字，同時(shí)表示所有 16 個(gè)狀態(tài)。當(dāng)我們談?wù)摷m纏時(shí)，事情變得更加有趣，糾纏是指“量子”連接的兩個(gè)量子位。這意味著我們的第一個(gè)量子位在任何給定時(shí)間代表的 16 個(gè)狀態(tài)中的任何一個(gè)都將被第二個(gè)量子位同時(shí)復(fù)制??，即使它與第一個(gè)量子位在物理上是分開的。

量子測(cè)量在現(xiàn)實(shí)世界中變得更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)榱孔酉到y(tǒng)需要與任何不需要的外部影響隔離，這可能導(dǎo)致量子效應(yīng)停止工作。稱為退相干。這就是量子計(jì)算開始變得復(fù)雜的地方。為了使任何計(jì)算機(jī)有用，我們必須能夠觀察計(jì)算結(jié)果，而退相干使這項(xiàng)任務(wù)變得更加困難。

石墨烯霍爾效應(yīng)傳感器在觀察量子比特中的作用

操縱量子位以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算很困難，通常使用微波和/或矢量磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)對(duì)量子位狀態(tài)的密切控制，以避免發(fā)生退相干等情況，是提供強(qiáng)大、有效的量子計(jì)算的關(guān)鍵。然而，如果整個(gè)結(jié)構(gòu)在接近絕對(duì)零的溫度下操作，則在某種程度上有利的是，當(dāng)量子位糾纏時(shí)觀察它們的疊加狀態(tài)而不引起退相干，則不太困難。

利用矢量磁體控制量子位狀態(tài)意味著磁場(chǎng)和量子計(jì)算密不可分。矢量磁鐵設(shè)備使用電控磁場(chǎng)來(lái)操縱量子位并達(dá)到所需的狀態(tài)。這種量子計(jì)算方法仍處于起步階段，正在被廣泛研究。在量子水平上工作意味著即使是非常小的干擾也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。例如，地球磁場(chǎng)對(duì)矢量磁控量子計(jì)算機(jī)的高效運(yùn)行是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，控制體積——量子比特所在的位置——被磁屏蔽以抵消外部場(chǎng)的影響。

因此，要實(shí)現(xiàn)性能最高、具有最大功效和最小退相干性的量子計(jì)算機(jī)，需要能夠在極低溫度下存在和運(yùn)行的磁屏蔽。這種必要的密切性能監(jiān)測(cè)、測(cè)量和控制在低溫下極具挑戰(zhàn)性，對(duì)于傳統(tǒng)的傳感設(shè)備來(lái)說(shuō)非常困難。

這就是基于 Paragraf 石墨烯的霍爾效應(yīng)傳感器 （GHS） 發(fā)揮作用的地方。通過(guò)使用石墨烯作為活性材料，GHS 在一直到絕對(duì)零的溫度下都能以非常高的精度運(yùn)行。

在低溫下運(yùn)行時(shí)功耗更低

Paragraf 的 GHS 技術(shù)已證明其能夠在低溫下運(yùn)行并提供具有高分辨率和靈敏度的準(zhǔn)確、可重復(fù)的測(cè)量。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)獒槍?duì)該應(yīng)用領(lǐng)域的其他霍爾效應(yīng)傳感器的靈敏度要低得多，因此需要更大的功率來(lái)放大其較小的信號(hào)輸出。

增加的功率要求會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生大量熱量，這在大多數(shù)應(yīng)用中都不是問(wèn)題。但是，當(dāng)應(yīng)用要求溫度接近絕對(duì)零時(shí)，任何多余的熱能都會(huì)成為問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)霍爾效應(yīng)傳感器需要許多 mA 的功率才能運(yùn)行，從而產(chǎn)生大量熱量。相比之下，Paragraf 的 GHS 只需要 nA 的電流并消耗 pW 級(jí)別的功率，比其他低溫磁傳感器好六個(gè)數(shù)量級(jí)。

GHS 還擁有卓越的測(cè)距能力。在室溫下，傳感器可以測(cè)量超過(guò) 9 T 的場(chǎng)。更重要的是，靈敏度隨著溫度的降低而增加，從室溫下降到 1.8 K 時(shí)靈敏度增加了一倍以上。

GHS 傳感器已經(jīng)在 -1 T 到 9 T 的磁場(chǎng)中進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，在低于 50 K 的各種溫度下進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明在整個(gè)范圍內(nèi)具有非常高的靈敏度，表明該技術(shù)的適用性可以在量子計(jì)算應(yīng)用中映射和校準(zhǔn)磁體。重要的是，通過(guò)從高溫 （300 K） 到低溫 （1.8K） 的重復(fù)溫度循環(huán)，傳感器的行為是精確的、可重復(fù)的和穩(wěn)定的。

Paragraf 的傳感器返回亞 ppm 范圍內(nèi)的測(cè)量分辨率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器的性能。

石墨烯繼續(xù)證明自己是一種了不起的材料。在許多方面，我們利用它的方式將與我們未來(lái)使用量子計(jì)算的方式一樣多樣化和重要。由于它能夠在低溫下發(fā)揮作用，并具有令人難以置信的性能，這一天可能比預(yù)期的要早。

審核編輯：郭婷