Les ondes, qu’elles soient des ondes lumineuses, des ondes sonores ou tout autre kind, se déplacent de la même manière dans les instructions avant et arrière – c’est ce que l’on appelle le principe de réciprocité. Si nous pouvions acheminer les ondes dans une seule way – rompre la réciprocité – nous pourrions transformer un certain nombre d’applications importantes dans notre vie quotidienne. Rompre la réciprocité nous permettrait de construire de nouveaux composants « unidirectionnels » tels que des circulateurs et des isolateurs qui permettent une communication bidirectionnelle, ce qui pourrait doubler la capacité de données des réseaux sans fil d’aujourd’hui. Ces composants sont essentiels aux ordinateurs quantiques, où l’on veut lire un qubit sans le déranger. Ils sont également essentiels aux systèmes radar, que ce soit dans les voitures autonomes ou celles utilisées par les militaires.

Une équipe dirigée par Harish Krishnaswamy, professeur de génie électrique, est la première à construire un dispositif non réciproque haute functionality sur une puce compacte avec une efficiency 25 fois meilleure que les travaux précédents. La gestion de l’énergie est l’une des mesures les as well as importantes pour ces circulateurs et la nouvelle puce de Krishnaswamy peut gérer plusieurs watts de puissance, suffisamment pour les émetteurs de téléphones portables qui émettent un watt ou as well as de puissance. La nouvelle puce a été le principal acteur d’un programme DARPA SPAR (Traitement du sign à RF) pour miniaturiser ces appareils et améliorer les mesures de overall performance. Le groupe de Krishnaswamy était le seul à intégrer ces dispositifs non réciproques sur une puce compacte et à démontrer également des mesures de performances qui étaient des ordres de grandeur supérieurs aux travaux antérieurs. L’étude a été présentée dans un write-up lors de la conférence internationale des circuits à semi-conducteurs de l’IEEE en février 2020 et publiée le 4 mai 2020 dans Character Electronics.

Les appareils électroniques à sens special entrent dans le courant dominant

«Pour que ces circulateurs soient utilisés dans des purposes pratiques, ils doivent être capables de gérer des watts de puissance sans transpirer», explique Krishnaswamy, dont la recherche se concentre sur le développement de systems électroniques intégrées pour de nouvelles applications sans fil haute fréquence. « Nos travaux antérieurs fonctionnaient à un rythme 25 fois inférieur à ce nouveau. Notre appareil de 2017 était une curiosité scientifique passionnante mais il n’était pas prêt pour les heures de grande écoute. Nous avons maintenant compris comment construire ces appareils à sens unique dans un puce compacte, leur permettant ainsi de devenir petits, peu coûteux et répandus. Cela transformera toutes sortes d’applications électroniques, des casques VR aux réseaux cellulaires 5G en passant par les ordinateurs quantiques.  »

Les dispositifs «unidirectionnels» traditionnels sont construits en utilisant des matériaux magnétiques, tels que les ferrites, mais ces matériaux ne peuvent pas être intégrés dans les processus de fabrication de semi-conducteurs modernes car or truck ils sont trop volumineux et trop chers. Bien que la création de composants non réciproques sans utilisation de matériaux magnétiques ait une longue histoire, les progrès de la technologie des semi-conducteurs l’ont placée au leading program. Le groupe de Krishnaswamy s’est concentré sur le développement de circuits variant dans le temps, en particulier des circuits pilotés par un signal d’horloge, qui se sont avérés atteindre des réponses non réciproques.

La découverte originale a été faite en 2017, lorsque le doctorant de Krishnaswamy, Negar Reiskarimian, qui est maintenant professeur adjoint au MIT et co-auteur de l’étude Nature Electronics, expérimentait un nouveau kind de circuit appelé filtre N-route. Elle essayait de construire un autre kind d’appareil appelé duplexeur, qui permet la transmission et la réception simultanées mais à deux fréquences distinctes. En jouant avec ce circuit, elle l’a connecté en boucle et a vu ce comportement de circulation non réciproque.

« Au début, nous ne croyions pas ce que nous voyions et nous étions convaincus que le simulateur était en panne », explique Krishnaswamy. « Mais quand nous avons pris le temps de le comprendre, nous avons réalisé que c’était quelque selected de nouveau et de vraiment significant. »

Au cours des quatre dernières années, le groupe de Krishnaswamy s’est principalement concentré sur les applications de non-réciprocité dans les purposes sans fil, telles que le sans fil en duplex intégral. Maintenant, après avoir développé cette nouvelle puce compacte prometteuse, ils se tournent vers l’informatique quantique. Les ordinateurs quantiques utilisent des composants tels que des circulateurs et des isolateurs pour lire les qubits sans les déranger. Les circulateurs et isolateurs magnétiques sont actuellement utilisés dans ces ordinateurs quantiques cryogéniques, mais ils sont de grande taille et coûteux, ce qui pose l’un des goulots d’étranglement à la réalisation d’ordinateurs quantiques avec un grand nombre de qubits. Le groupe de Krishnaswamy envisage d’utiliser des jonctions Josephson supraconductrices, la même technologie utilisée pour fabriquer le qubit, pour réaliser des circulateurs cryogéniques à l’échelle de la puce qui peuvent être directement intégrés aux qubits, réduisant considérablement le coût et la taille.