Теперь команда Национального института стандартов и технологий (NIST) продемонстрировала решение этих коммуникационных проблем, которое, возможно, когда-нибудь позволит искусственным нейронным системам работать в 100 000 раз быстрее, чем человеческий мозг.

Человеческий мозг представляет собой сеть, состоящую примерно из 86 миллиардов клеток, называемых нейронами, каждая из которых может иметь тысячи связей (известных как синапсы) со своими соседями. Нейроны взаимодействуют друг с другом с помощью коротких электрических импульсов, называемых спайками, для создания насыщенных, изменяющихся во времени паттернов активности, которые формируют основу познания. В нейроморфных чипах электронные компоненты действуют как искусственные нейроны, направляя импульсные сигналы по сети, подобной мозгу.

Отказавшись от традиционной инфраструктуры электронной связи, исследователи разработали сети с крошечными источниками света на каждом нейроне, которые передают оптические сигналы тысячам соединений. Эта схема может быть особенно энергоэффективной, если сверхпроводящие устройства используются для обнаружения одиночных частиц света, известных как фотоны - наименьшего возможного оптического сигнала, который может быть использован для представления всплеска.

В новом Природная электроника В статье исследователи NIST впервые создали схему, которая ведет себя очень похоже на биологический синапс, но использует только одиночные фотоны для передачи и приема сигналов. Такой подвиг возможен с использованием сверхпроводящих однофотонных детекторов. Вычисление в схеме NIST происходит там, где однофотонный детектор встречается со сверхпроводящим элементом схемы, называемым джозефсоновским переходом. Джозефсоновский переход представляет собой сэндвич из сверхпроводящих материалов, разделенных тонкой изолирующей пленкой. Если ток через сэндвич превышает определенное пороговое значение, джозефсоновский переход начинает генерировать небольшие импульсы напряжения, называемые флюксонами. При обнаружении фотона однофотонный детектор толкает джозефсоновский переход выше этого порога, и флюксоны накапливаются в виде тока в сверхпроводящей петле. Исследователи могут регулировать величину тока, добавляемого в контур на фотон, применяя смещение (внешний источник тока, питающий цепи) к одному из переходов. Это называется синаптическим весом.

Это поведение аналогично поведению биологических синапсов. Сохраненный ток служит формой кратковременной памяти, поскольку он обеспечивает запись того, сколько раз нейрон производил всплеск в ближайшем прошлом. Продолжительность этой памяти определяется временем, необходимым для затухания электрического тока в сверхпроводящих петлях, которое, как продемонстрировала команда NIST, может варьироваться от сотен наносекунд до миллисекунд и, вероятно, за их пределами. Это означает, что аппаратное обеспечение может быть адаптировано к проблемам, возникающим в самых разных временных масштабах - от высокоскоростных промышленных систем управления до более неторопливых бесед с людьми. Возможность устанавливать различные веса путем изменения смещения джозефсоновских соединений обеспечивает долговременную память, которую можно использовать для программирования сетей, чтобы одна и та же сеть могла решать множество различных задач.

Синапсы являются важнейшим вычислительным компонентом мозга, поэтому эта демонстрация сверхпроводящих однофотонных синапсов является важной вехой на пути к реализации полного видения командой сверхпроводящих оптоэлектронных сетей. И все же погоня далека от завершения. Следующей вехой команды станет объединение этих синапсов со встроенными источниками света, чтобы продемонстрировать полноценные сверхпроводящие оптоэлектронные нейроны.

"Мы могли бы использовать то, что мы продемонстрировали здесь, для решения вычислительных задач, но масштаб был бы ограничен", - сказал руководитель проекта NIST Джефф Шейнлайн. "Наша следующая цель - объединить этот прогресс в области сверхпроводящей электроники с полупроводниковыми источниками света. Это позволит нам обеспечить связь между гораздо большим количеством элементов и решить большие, вытекающие из этого проблемы".

Команда уже продемонстрировала источники света, которые можно было бы использовать в полноценной системе, но требуется дальнейшая работа по интеграции всех компонентов на одном чипе. Сами синапсы можно было бы улучшить, используя материалы детектора, которые работают при более высоких температурах, чем нынешняя система, и команда также изучает методы для реализации синаптического взвешивания в крупномасштабных нейроморфных чипах.

Работа частично финансировалась Агентством перспективных исследовательских проектов в области обороны.