近日，美國哥倫比亞大學電氣工程系教授哈里什·克里希納斯瓦米（Harish Krishnaswamy）領導的團隊率先在一顆小型芯片上構造出高性能的非互易器件，性能超越之前的研究成果25倍，為從“雙向無線通信”到“量子計算”的一系列應用鋪路。

具有瓦特級功率控制的單芯片環行器的顯微圖片。

波，無論是光波還是聲波或者其他類型的波，都是以相同的方式向前和向后傳播，這被稱為“互易性原理”。

如果我們可以讓波僅沿著一個方向傳播，打破互易性，那么就可以改變我們日常生活中許多重要的應用。

打破互易性，使我們可以構造出新型“單向”元件，例如環行器和隔離器，從而實現雙向通信，使如今無線網絡的數據容量翻倍。

這些元件對于量子計算機來說是必不可少的，我們希望在量子計算機中讀取一個量子位的同時又不會干擾到它。這些元件對于雷達系統來說也很關鍵，無論是應用在無人駕駛汽車還是軍事領域。

功率控制是這些環行器最重要的指標之一，而克里希納斯瓦米的新型芯片可以處理幾瓦的功率，對于輸出功率在一瓦左右的手機發射機來說已經足夠。這款新型芯片成為了美國國防先期研究計劃局（DARPA）射頻信號處理（SPAR）項目中性能領先的芯片，

該項目旨在小型化這些器件并提升性能指標。克里希納斯瓦米課題組是唯一一個將這些非互易器件集成到一顆小型芯片上，并證明性能指標超越之前工作幾個數量級的團隊。

這項研究于2020年2月以論文的形式發表在IEEE國際固態電路會議上，并于2020年5月4日發表在《自然·電子學（Nature Electronics）》期刊上。

克里希納斯瓦米的研究集中在為新型高頻無線應用開發集成電子技術。他表示：“對于這些環行器來的實際應用來說，它們需要能夠毫不費力地處理幾瓦的功率。我們早期工作的表現比這款新器件差25倍，我們2017年器件是一個令人振奮的科學珍品，但它并不完美。現在，我們已經能夠搞清楚如何在一顆小型芯片中構造這些單向器件，從而使它們能夠變得小型化、低成本以及廣泛應用。它將改變從虛擬現實頭盔到5G蜂窩網絡再到量子計算機的各種電子應用。”

下圖為團隊2017年開發的基于時空電導調制的25GHz完全集成的非互易被動無磁45納米 SOI CMOS 環行器的芯片顯微圖片。

傳統的“單向”器件是采用磁性材料例如鐵氧體材料構造的，但是這些材料太龐大且昂貴，無法集成到現代半導體制造工藝中。盡管不采用磁性材料來創造非互易性元件已經有很長的歷史，然而半導體技術的進步使它走在了最前沿。克里希納斯瓦米課題組一直專注于開發時變電路，特別是由時鐘信號驅動的電路，這些電路已經被證明實現了非互易性響應。

最初的發現是在2017年，當克里希納斯瓦米的博士生 Negar Reiskarimian（如今是麻省理工學院的助理教授、《自然·電子學（Nature Electronics）》期刊論文的合著者之一）用一種稱為“N通道濾波器（N-path filter）”的新型電路進行實驗時。她一直在嘗試構造一種不同的器件，稱為“雙工器”，它能在兩個單獨的頻率上同時發送和接收信號。在研究這種電路時，她將它連接成環形，并觀察到了這種非互易性的循環行為。

克里希納斯瓦米表示：“一開始，我們不相信我們看到的，認為模擬器壞了。但是當我們花時間理解它時，我們發現這是一個全新的東西，而且是一件真正的大事件。”

過去四年來，克里希納斯瓦米課題組一直在主要集中研究非互易性在全雙工無線通信等無線應用中的應用。現在，在開出這種很有前景的新型小型芯片之后，他們正在將注意力轉向量子計算。量子計算機在使用環行器和隔離器等元件來讀取量子位，而不會對其造成干擾。目前，這些低溫量子計算機中使用了磁性環行器和隔離器，但是它們尺寸太大而且昂貴，是實現具有大量量子位的量子計算機的瓶頸之一。克里希納斯瓦米課題組正在研究采用超導約瑟夫森結（這項技術也用于制造量子位）來實現可以直接集成到量子位中的芯片級低溫環行器，從而顯著地降低成本和尺寸。

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