Veel bestaande technieken voor het ontwikkelen van kwantum- en neuromorfische rekentools zijn gebaseerd op het gebruik van supergeleiders, stoffen die bij lage temperaturen supergeleidend worden. In dezelfde architecturen, halfgeleiders, stoffen met een gedeeltelijke geleidbaarheid, worden meestal gebruikt om controle op het hoogste niveau te bereiken. Om efficiënter te kunnen werken, daarom, kwantum- en neuromorfische systemen zouden een supergeleider/halfgeleider-interface met laag vermogen vereisen die nog niet is ontwikkeld.

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology in Boulder, NASA's Jet Propulsion Lab en Lancaster University in het Verenigd Koninkrijk hebben onlangs een supergeleidende thermische schakelaar gerealiseerd die laagspanningsingangen kan omzetten in halfgeleidercompatibele uitgangen bij temperaturen op Kelvin-schaal. In hun krant gepubliceerd in Natuur Elektronica , de onderzoekers toonden het potentieel aan voor het koppelen van supergeleiders en halfgeleiders, gebruiken om een ​​lichtemitterende diode aan te drijven in een fotonisch geïntegreerd circuit.

"Bij ons onderzoek we proberen hardware-neuronen te bouwen die enorm schaalbaar zullen zijn, "Adam McCaughan, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore. "Om een ​​neuromorfische computer op hersenschaal te bouwen, je hebt biljoenen neuronen en triljoenen verbindingen nodig - dat betekent dat je extreem energiezuinig moet zijn en veel communicatie tussen de neuronen moet hebben. Daarom hebben we ervoor gekozen om supergeleiders en opto-elektronica te combineren om de neuronen te bouwen."

In hun studie hebben McCaughan en zijn collega's combineerden supergeleiders met opto-elektronica, een soort technologie die zowel elektronica als licht gebruikt. De supergeleiders die ze gebruikten zijn ultra energiezuinig, terwijl de opto-elektronica individuele neuronen in staat stelt te communiceren met duizenden van hun leeftijdsgenoten. Door deze twee technologieën samen te voegen, echter, bleek ongelooflijk uitdagend.

"Een van de redenen waarom supergeleiders zo energiezuinig zijn, is dat ze hele kleine signalen gebruiken. ongeveer 1/1000 de benodigde spanning in silicium, "Zei McCaughan. "Maar diezelfde efficiëntie betekent ook dat ze moeite hebben om te praten met silicium opto-elektronica, dus moesten we een manier vinden om de supergeleidende outputs om te zetten in inputs op siliciumniveau."

De supergeleidende schakelaar ontworpen door McCaughan en zijn collega's maakt gebruik van de transformatie van de supergeleider van de ene toestand van materie naar de andere, bekend als 'faseovergang, ' om low-level inputs te vertalen naar silicium-compatibele outputs. Het hoofdbestanddeel van de switch is een supergeleidende nanodraad op nanoschaal met twee 'fasen' of 'toestanden':de supergeleidende kwantumfase en de resistieve fase.

"Als we de schakelaar aanzetten, we genereren warmte in de vorm van fononen, " legde McCaughan uit. "Deze hitte vernietigt de supergeleidende fase en dwingt de draad in de resistieve fase. praktisch, wat dit betekent is dat als we de schakelaar aanzetten, de nanodraad gaat van nul weerstand naar een zeer grote weerstand, vergelijkbaar met een lichtschakelaar in uw huis, maar op nanoschaal en op een paar graden boven het absolute nulpunt."

In hun studie hebben de onderzoekers gebruikten de supergeleidende thermische schakelaar om een ​​lichtemitterende diode in een fotonisch geïntegreerd circuit aan te sturen. Ze waren in staat om fotonen van 1 K te genereren uit een laagspanningsingang, terwijl ze ze detecteren met een supergeleidende enkelvoudige fotondetector op de chip.

De schakelaar die ze ontwikkelden is het allereerste supergeleidende apparaat dat in staat is om zo'n enorme verandering op aanvraag te produceren, terwijl ook supergeleiders en halfgeleiders worden gekoppeld. Opmerkelijk, het is ook zeer energiezuinig, daardoor verbruikt het veel minder energie dan andere bestaande apparaten.

"Voor ons neuromorfe werk, de ontwikkeling van dit apparaat betekent dat de supergeleidende delen van onze neuronen nu rechtstreeks kunnen praten met de opto-elektronische delen, " legde McCaughan uit. "Zoals we in onze krant lieten zien, we kunnen het gebruiken om heel nuttige dingen te doen, zoals het voeden van optische communicatie op één graad boven het absolute nulpunt. We zijn erg enthousiast om te zien hoe anderen gebruik maken van dit idee."

In de toekomst, deze supergeleidende schakelaar zou de weg kunnen effenen voor de ontwikkeling van meer geavanceerde kwantumcomputers, omdat veel van deze systemen de integratie van supergeleidende apparaten met siliciumbesturingscircuits vereisen. McCaughan en zijn collega's zijn nu van plan hun apparaat op neuronen te implementeren om de effectiviteit ervan te testen en de resulterende interacties tussen individuele neuronen te observeren.

"Spiking neuronen zoals die in de hersenen en degene die we bouwen, worden algemeen beschouwd als de volgende generatie apparaten voor kunstmatige intelligentie, maar het trainen van hen is niet zo goed begrepen als voor de huidige generatie deep learning-systemen, "Zei McCaughan. "We hebben samengewerkt met TENNLab van de Universiteit van Tennessee om netwerken van onze neuronen te optimaliseren, en het is heel opwindend om te zien hoe slechts een klein handjevol van onze spiking-neuronen taken zoals poolbalancering en dataclassificatie kan oplossen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk