NIST的超导电路利用单光子模拟突触

在许多方面，人类大脑是有史以来最强大的计算平台。与我们最好的超级计算机相比，人脑的能力更强，能效更高，也更复杂。

出于这个原因，人们对神经形态计算领域产生了浓厚的兴趣，该领域试图通过模拟人脑的生物过程来匹配人脑的能力。上周，美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员发表了一篇论文，描述了神经形态计算的进步，他们说神经形态计算可以比人脑更快地解锁100000倍的计算。

在这篇文章中，我们将讨论约瑟夫逊结的想法和NIST的新研究。

 

约瑟芬元件

在超导电子领域，最重要的器件之一被称为约瑟夫逊结。

约瑟夫逊结是一种由两种超导材料组成的器件，这两种材料被一层薄的绝缘屏障隔开。虽然电流在每个超导材料中自由流动，但绝缘屏障的存在阻止了两种超导材料之间的传统电流流动。在约瑟夫逊结中，电流只能通过量子隧道在超导材料之间流动。

 

Josephson Junction的工作原理。图片由HyperPhysics提供

 

当穿过势垒的电流水平超过所谓的“临界电流”时，这些材料就不再像超导体一样工作。相反，两个超导体之间出现了一个小电压（意味着阻抗的存在）。

在超导电路的发展中，约瑟夫逊结已成为创建超导量子干涉器件（SQUID）、量子计算机超导量子位和快速单通量量子数字电子等块的重要工具。
 

NIST对模拟突触的研究

上周，NIST的研究人员发表了一篇新的研究论文，描述了一种使用超导电路模拟突触进行神经形态计算的新方法。

这项研究背后的动机是找到一种方法，通过用光通信取代传统的电子通信来加快神经形态计算。通过使用光通信，研究人员相信他们可以创造出比当前技术更快、更节能的神经形态计算。

 

拟态突触的布局。图片由NIST提供

 

在这项研究中，该团队能够通过创建一个模拟生物突触的电路来实现这一点，该电路只需要使用单个光子来传输和接收信号。人工突触由超导单光子探测器组成，这些探测器通过利用约瑟夫逊结的行为来工作。

具体来说，该团队建造了单光子探测器，当接收到光子时，该探测器产生的电流超过约瑟夫逊结的临界电流。当这种情况发生时，电荷被添加到电流回路中，电流总量可以通过SQUID读出。

根据研究人员的说法，这种行为与生物突触的行为非常相似，因为存储的电流提供了神经元在不久的将来被激发了多少次的信息。这本质上是短期记忆的一种形式，也可以通过不同的偏置技术进行扩展和调整。

 

前进

研究人员认为，这项研究证明了超导光子学代替更慢、更耗电的电接口的有效性，从而证明了神经形态计算领域的重要一步。接下来，该团队计划将这些突触与集成光源相结合，使其设计更具可扩展性和完整性。