Interruptor superconductor de alta impedancia. Crédito:McCaughan et al.
Muchas técnicas existentes para desarrollar herramientas de computación cuántica y neuromórfica se basan en el uso de superconductores, sustancias que se vuelven superconductoras a bajas temperaturas. En las mismas arquitecturas, semiconductores, sustancias con conductividad parcial, se utilizan generalmente para lograr un control de nivel superior. Para trabajar de manera más eficiente, por lo tanto, Los sistemas cuánticos y neuromórficos requerirían una interfaz superconductor / semiconductor de baja potencia que aún no se ha desarrollado.
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y la Universidad de Lancaster en el Reino Unido han realizado recientemente un interruptor térmico superconductor que puede traducir entradas de bajo voltaje en salidas compatibles con semiconductores a temperaturas de escala Kelvin. En su papel publicado en Electrónica de la naturaleza , los investigadores demostraron su potencial para interconectar superconductores y semiconductores, usándolo para impulsar un diodo emisor de luz en un circuito integrado fotónico.
"En nuestra investigación, estamos tratando de construir neuronas de hardware que sean escalables masivamente, "Adam McCaughan, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo a TechXplore. "Para construir una computadora neuromórfica a escala cerebral, necesita tener billones de neuronas y quintillones de conexiones; eso significa que debe ser extremadamente eficiente en energía y tener mucha comunicación entre las neuronas. Por eso decidimos combinar superconductores y optoelectrónica para construir las neuronas ".
En su estudio, McCaughan y sus colegas combinaron superconductores con optoelectrónica, un tipo de tecnología que utiliza tanto la electrónica como la luz. Los superconductores que utilizaron son ultra eficientes energéticamente, mientras que la optoelectrónica permite que las neuronas individuales se comuniquen con miles de sus pares. Fusionando estas dos tecnologías, sin embargo, resultó increíblemente desafiante.
"Parte de la razón por la que los superconductores son tan eficientes energéticamente es que utilizan señales muy pequeñas, aproximadamente 1/1000 del voltaje necesario en silicio, ", Dijo McCaughan." Pero esa misma eficiencia también significa que tienen problemas para hablar con la optoelectrónica de silicio, así que necesitábamos encontrar una forma de traducir las salidas superconductoras en entradas de nivel de silicio ".
El interruptor superconductor diseñado por McCaughan y sus colegas aprovecha la transformación del superconductor de un estado de la materia a otro, conocido como 'transición de fase, 'para traducir entradas de bajo nivel en salidas compatibles con silicio. El componente principal del interruptor es un nanoalambre superconductor a nanoescala con dos 'fases' o 'estados':la fase superconductora cuántica y la fase resistiva.
Crédito:McCaughan et al.
"Cuando encendemos el interruptor, generamos calor en forma de fonones, "McCaughan explicó." Este calor destruye la fase superconductora y fuerza al cable a la fase resistiva. Prácticamente, lo que esto significa es que cuando encendemos el interruptor, el nanoalambre va de resistencia cero a una resistencia muy grande, similar a un interruptor de luz en su hogar, pero a nanoescala, ya unos grados por encima del cero absoluto ".
En su estudio, Los investigadores utilizaron el interruptor térmico superconductor para impulsar un diodo emisor de luz en un circuito integrado fotónico. Pudieron generar fotones a 1 K a partir de una entrada de bajo voltaje, mientras los detecta con un detector de fotón único superconductor en chip.
El conmutador que desarrollaron es el primer dispositivo superconductor capaz de producir un cambio tan grande a pedido. al mismo tiempo que interconecta superconductores y semiconductores. Notablemente, también es muy eficiente energéticamente, por tanto, utiliza mucha menos energía que otros dispositivos existentes.
"Para nuestro trabajo neuromórfico, El desarrollo de este dispositivo significa que las partes superconductoras de nuestras neuronas ahora pueden hablar directamente con las partes optoelectrónicas, ", Explicó McCaughan." Como mostramos en nuestro artículo, podemos usarlo para hacer cosas muy útiles, como alimentar la comunicación óptica a un grado por encima del cero absoluto. Estamos muy emocionados de ver cómo otros hacen uso de esta idea ".
En el futuro, este interruptor superconductor podría allanar el camino para el desarrollo de computadoras cuánticas más avanzadas, ya que muchos de estos sistemas requerirán la integración de dispositivos superconductores con circuitos de control de silicio. McCaughan y sus colegas ahora planean implementar su dispositivo en neuronas para probar su efectividad y observar las interacciones resultantes entre neuronas individuales.
"Se dice comúnmente que las neuronas punzantes como las del cerebro y las que estamos construyendo son la próxima generación de dispositivos para la inteligencia artificial. pero entrenarlos no se comprende tan bien como lo es para la generación actual de sistemas de aprendizaje profundo, ", Dijo McCaughan." Hemos estado colaborando con TENNLab en la Universidad de Tennessee para optimizar las redes de nuestras neuronas, y es muy emocionante ver cómo solo un pequeño puñado de nuestras neuronas en punta puede resolver tareas como el equilibrio de polos y la clasificación de datos ".
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