香港大学（港大）工程学院电机与计算机工程系与先进半导体与集成电路研究中心（CASIC）的团队在低温电子学领域取得了重大突破。团队成功研发出一款可在接近绝对零度下运作的可编程“神经形态”（neuromorphic）硬体平台，为大规模量子电脑的普及以及深空探测任务提供了潜在解决方案。

SiC MOSFET中的负微分电阻（NDR）及其在脉冲神经形态电路中的应用

在张宇昊教授和博士生杨鑫的带领下，该团队发现了一种在工业标准的碳化硅（SiC）MOSFET中产生并控制负微分电阻（NDR）的创新方法。这项技术首次证实，单一电晶体在低至 10 mK（毫开尔文，即接近绝对零度）的极低温下，仍能模拟生物神经元的高效“脉冲”（spiking）运作模式。

基于NDR的感知神经元

基于NDR的脉冲逻辑神经元

现代量子电脑需要极其复杂的电子系统来控制“量子位元”（qubits）。由于量子位元极易受干扰，必须保存在接近绝对零度的极低温环境中。然而，现有的硅基控制器功耗极高且容易发热，迫使科学家只能将其安置在远离量子位元的地方。这导致系统内部需要连接海量的排线，形成“线路瓶颈”，严重限制了量子电脑的规模和性能。

张教授表示：“我们的工作引入了一种可以与量子处理器整合在一起的硬体平台，通过利用碳化硅中独特的载子动力学，我们能够创造比传统电子设备能效高出数千倍的电路，从而显著降低低温系统的热负荷。”

基于NDR的正负型积分-发射（integrate-and-fire）神经元

研究人员发现，当碳化硅MOSFET被冷却至2 K以下时，在电子-施主碰撞电离（EDII）的推动下，会展现出显著的“S形”负微分电阻（NDR）行为。与以往依赖热量运作的技术不同，这种物理机制源自材料本身的原子结构，因此即使在不同批次的芯片生产中，也能展现出极高的稳定性与一致性。

“这是一种稳健且可扩展的方法，”杨博士生指出，“由于碳化硅已被全球广泛应用于电动车和电网中，我们可以利用现有的工业代工厂，在300毫米晶圆上制造这些低温芯片”。

该研究证明，这些神经元可以被“级联”并构建出更庞大的网络，为在极低温环境下进行复杂的本地数据处理奠定基础。该技术预料将显著提升量子纠错与实时量子控制的效率。除了量子计算，这款结构强韧的电路也非常适合应用于深空探测，帮助电子设备在月球表面或太阳系边缘的极寒极限环境中正常运作。

这项发现已发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上，文章标题为“基于碳化硅中栅控负微分电阻的低温神经形态电路”（Cryogenic neuromorphic circuits using gate-controlled negative differential resistance in silicon carbide）。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70963-6 

关于张宇昊教授

张宇昊教授现为香港大学（港大）电机与计算机工程系教授，并兼任香港大学先进半导体与集成电路中心副主任。在加入港大之前，他曾任弗吉尼亚理工大学 Shirish S. Sathaye 冠名副教授，并在美国最大的电力电子学术研究中心主持功率半导体研究工作。他分别于2017年和2013年在麻省理工学院（MIT）获得电机工程博士及硕士学位。他已发表200多篇论文、2篇专著章节，并拥有9项已获批的美国专利。他是10多篇高亮/专题/获奖论文的共同作者。其研究成果被引用超过13,000次，h指数达60，并被《自然·电子学》（Nature Electronics）、《今日半导体》（Semiconductor Today）、《化合物半导体》（Compound Semiconductors）、《电子工程专辑》（EE Times）等媒体广泛报道逾100次。

他目前担任国际电气电子工程师学会电子器件学会（IEEE EDS）功率器件及集成电路技术委员会主席、《IEEE 电子器件快报》（IEEE Electron Device Letters）副主编、《IEEE 电力电子学报》（IEEE Transactions on Power Electronics）副主编，以及多个国际学术会议（如 IEDM、APEC、WiPDA）的技术程序委员会（TPC）委员。他曾荣获麻省理工学院微系统技术实验室优秀博士论文奖、两项 IEEE George Smith 奖（《IEEE 电子器件快报》年度最佳论文奖）、四项 IEEE 国际电子器件会议（IEDM）技术高亮奖、IEEE William M. Portnoy 论文一等奖、美国国家科学基金会早期职业生涯发展奖（NSF CAREER Award）、弗吉尼亚理工大学杰出教职员奖（Faculty Fellow Award）、美国海军研究办公室青年科学家奖（ONR YIP）、化合物半导体周青年科学家奖，以及何享健青年科学家奖。