研究报告:8月16日

蛋白质的电路

来自北卡罗莱纳州立大学和剑桥大学的研究人员创造了一种自我组装的，蛋白质的电路它可以执行简单的逻辑函数，并利用电子在量子尺度上的特性。

创建分子电路的一个挑战是电路尺寸减小时的不可靠性。在量子尺度上，电子的行为更像波而不是粒子，这导致了一种叫做隧穿的现象，在这种现象中，一个电子可以同时在多个紧密间隔的电线中，这使得很难控制电流的方向。

“我们的目标是尝试创造一种分子电路，利用隧穿效应为我们的优势，而不是对抗它，”北卡罗来纳州立大学化学副教授瑞安·切奇(Ryan Chiechi)说。

研究人员首先将两种不同类型的富勒烯笼放置在有图案的金衬底上，从而构建了电路。然后他们将该结构浸入光系统1 (PSI)的溶液中，PSI是一种常用的叶绿素蛋白复合物。

不同的富勒烯诱导PSI蛋白以特定的方向在表面自组装，一旦镓-铟液态金属共晶EGaIn的顶部接触被打印在顶部，就会产生二极管和电阻。这一过程既解决了单分子连接的缺点，又保留了分子电子功能。

“在我们需要电阻的地方，我们在PSI自组装的电极上设计了一种富勒烯，在我们需要二极管的地方，我们设计了另一种类型的富勒烯，”Chiechi说。“定向PSI可以校正电流，这意味着它只允许电子向一个方向流动。通过控制PSI整体中的净方向，我们可以规定电荷如何流经它们。”

然后，他们将自组装的蛋白质组合与人造电极结合起来，并制作了简单的逻辑电路，利用电子隧穿行为来调节电流。

“这些蛋白质分散电子波函数，以仍未完全理解的方式介导隧穿，”Chiechi说。“结果是，尽管只有10纳米厚，但这个电路在量子水平上工作，在隧道机制下工作。因为我们用的是一组分子，而不是单个分子，所以结构是稳定的。我们实际上可以在这些电路上打印电极并制造设备。”

研究人员从这些电路中创建了简单的基于二极管的AND/OR逻辑门，并将其集成到脉冲调制器中，可以通过根据另一个输入的电压开关一个输入信号来编码信息。基于psi的逻辑电路能够切换3.3 kHz的输入信号。该团队指出，虽然这在速度上无法与现代逻辑电路相比，但仍然是目前报道的最快的分子逻辑电路之一。

“这是一个概念验证的基本逻辑电路，它依赖于二极管和电阻，”Chiechi说。“我们在这里已经证明，你可以构建强大的集成电路，在蛋白质的高频下工作。就直接效用而言，这些基于蛋白质的电路可能会导致电子设备的发展，增强、取代和/或扩展经典半导体的功能。”

紧凑型量子比特控制器

美国能源部费米国家加速器实验室(Fermilab)和芝加哥大学的工程师开发了一种基于fpga的紧凑型fpga控制和读出系统用于量子计算机，称为量子仪器控制套件，或QICK。

控制电子学使用来自经典世界的信号作为量子位的指令，而读出电子学测量量子位的状态并将信息传递回经典世界。

“目前，超导量子计算机的大多数控制和读出系统使用的都是现成的商业设备，而不是专门用于该任务的。因此，研究人员通常必须将十几个或更多昂贵的组件串在一起。每个量子比特的成本很快就会增加到数万美元，而且这些系统的大尺寸会带来更多的问题，”该团队指出。

“当你使用量子比特时，时间是至关重要的。经典电子器件需要时间来响应量子比特，这限制了计算机的性能，”费米实验室高级首席工程师古斯塔沃·坎塞洛(Gustavo Cancelo)说。

新系统更加紧凑，将整个机架设备的功能整合在两块笔记本电脑大小的板上。Cancelo说:“我们正在为各种各样的量子比特设计一种通用仪器，希望能覆盖那些从现在起六个月或一年之内将被设计出来的量子比特。”“通过我们的控制和读出电子设备，您可以实现商用设备难以或不可能实现的功能和性能。”

该团队的射频(RF)板包含200多个元素:调整频率的混频器;滤波器去除不需要的频率;放大器和衰减器，以调整信号的幅度;还有开关可以打开和关闭信号。该板还包含一个低频控制，以调整某些量子位参数。它与一种新的商用FPGA芯片相结合，该芯片将数字-模拟和模拟-数字转换器直接集成到电路板中，该团队表示，这加快了在FPGA和RF板之间创建接口的过程。

研究人员表示，这两种紧凑型电路板的生产成本比传统系统低10倍左右。在最简单的配置中，它们可以控制8个量子比特。将所有RF组件集成到一块板上，可以实现更快、更精确的操作以及实时反馈和错误纠正。

费米实验室的工程师Leandro Stefanazzi说:“你需要注入非常、非常快、非常短的信号。”“如果你不能非常精确地控制这些信号的频率和持续时间，那么你的量子比特就不会像你想要的那样表现。”

该团队指出，该系统是可扩展的。频率多路复用量子位控制将允许单个射频板控制多达80个量子位。此外，几十块板可以连接在一起，并作为大型量子计算机的一部分同步到同一个时钟。为了改进其控制和读出系统的未来版本，该团队已经开始设计自己的FPGA硬件。

高密度电路用有机晶体管

日本国立材料科学研究所(NIMS)和东京科学大学的研究人员开发了一种新型材料有机反双极晶体管通过调整其双门的输入电压，能够执行五种逻辑门操作中的任何一种(AND, OR, NAND, NOR或XOR)。

通过设计当栅极电压超过一定阈值时降低漏极电流，反双极晶体管可以执行双输入逻辑门操作。

当输入电压施加到晶体管的顶部和底部门时，它产生一个输出信号(即漏极电流)。该晶体管在室温下，当输入电压调整时，可以作为五种不同类型的双输入逻辑门;该团队将其与现有的集成电路技术进行了比较，现有的集成电路技术需要4个晶体管才能形成一个NAND电路，而需要12个晶体管才能形成一个异或电路。相比之下，这些新开发的晶体管只需要一个就能形成这些电路。

该团队表示，晶体管可以大幅提高有机电路的集成密度，这一直是有机电子产品的主要挑战，有可能使它们适用于移动和物联网设备。在未来的研究中，该小组计划使用这种新型晶体管开发电子可重构集成电路。