Konstnärlig återgivning av hur supraledande kretsar som efterliknar synapser (kopplingar mellan neuroner i hjärnan) kan användas för att skapa artificiella optoelektroniska neuroner i framtiden. Kredit:J. Chiles och J. Shainline/NIST
Forskare har länge sett till hjärnan som en inspiration för att designa datorsystem. Vissa forskare har nyligen gått ännu längre genom att göra datorhårdvara med en hjärnliknande struktur. Dessa "neuromorfa chips" har redan visat mycket lovande, men de har använt konventionell digital elektronik, vilket begränsar deras komplexitet och hastighet. När chipsen blir större och mer komplexa, backas signalerna mellan deras individuella komponenter upp som bilar på en motorväg som är låst och reducerar beräkningen till en genomsökning.
Nu har ett team vid National Institute of Standards and Technology (NIST) visat en lösning på dessa kommunikationsutmaningar som en dag kan göra det möjligt för artificiella neurala system att fungera 100 000 gånger snabbare än den mänskliga hjärnan.
Den mänskliga hjärnan är ett nätverk av cirka 86 miljarder celler som kallas neuroner, som var och en kan ha tusentals kopplingar (så kallade synapser) med sina grannar. Neuronerna kommunicerar med varandra med hjälp av korta elektriska pulser som kallas spikar för att skapa rika, tidsvarierande aktivitetsmönster som ligger till grund för kognition. I neuromorfa chips fungerar elektroniska komponenter som artificiella neuroner och dirigerar spiksignaler genom ett hjärnliknande nätverk.
Genom att göra sig av med konventionell elektronisk kommunikationsinfrastruktur har forskare designat nätverk med små ljuskällor vid varje neuron som sänder optiska signaler till tusentals anslutningar. Detta schema kan vara särskilt energieffektivt om supraledande enheter används för att detektera enstaka ljuspartiklar som kallas fotoner – den minsta möjliga optiska signal som kan användas för att representera en spik.
Fotografi av en NIST supraledande krets som beter sig som en artificiell version av en synaps, en koppling mellan nervceller (neuroner) i hjärnan. Etiketterna visar olika komponenter i kretsen och deras funktioner. Kredit:S. Khan och B. Primavera/NIST
I en ny Nature Electronics har NIST-forskare för första gången uppnått en krets som beter sig ungefär som en biologisk synaps men som ändå bara använder enstaka fotoner för att sända och ta emot signaler. En sådan bedrift är möjlig med hjälp av supraledande enfotondetektorer. Beräkningen i NIST-kretsen sker där en enkelfotondetektor möter ett supraledande kretselement som kallas en Josephson-övergång.
En Josephson-övergång är en sandwich av supraledande material separerade av en tunn isolerande film. Om strömmen genom sandwichen överskrider ett visst tröskelvärde, börjar Josephson-övergången producera små spänningspulser som kallas fluxoner. Vid detektering av en foton trycker singelfotondetektorn Josephson-övergången över denna tröskel och fluxoner ackumuleras som ström i en supraledande slinga. Forskare kan ställa in mängden ström som läggs till slingan per foton genom att applicera en bias (en extern strömkälla som driver kretsarna) till en av korsningarna. Detta kallas den synaptiska vikten.
Detta beteende liknar det för biologiska synapser. Den lagrade strömmen fungerar som en form av korttidsminne, eftersom det ger en registrering av hur många gånger neuronen producerade en spik i det närmaste förflutna. Varaktigheten av detta minne bestäms av den tid det tar för den elektriska strömmen att avta i de supraledande slingorna, vilket NIST-teamet visade kan variera från hundratals nanosekunder till millisekunder, och troligen längre.
Detta innebär att hårdvaran kan matchas till problem som uppstår på många olika tidsskalor - från höghastighets industriella kontrollsystem till mer lugna samtal med människor. Möjligheten att ställa in olika vikter genom att ändra förspänningen till Josephson-korsningarna tillåter ett långtidsminne som kan användas för att göra nätverken programmerbara så att samma nätverk kan lösa många olika problem.
Synapser är en avgörande beräkningskomponent i hjärnan, så denna demonstration av supraledande enfotonsynapser är en viktig milstolpe på vägen till att förverkliga teamets fulla vision om supraledande optoelektroniska nätverk. Ändå är jakten långt ifrån klar. Teamets nästa milstolpe blir att kombinera dessa synapser med ljuskällor på chipet för att demonstrera fullständiga supraledande optoelektroniska neuroner.
"Vi skulle kunna använda det vi har visat här för att lösa beräkningsproblem, men omfattningen skulle vara begränsad," sa NIST-projektledaren Jeff Shainline. "Vårt nästa mål är att kombinera detta framsteg inom supraledande elektronik med halvledarljuskällor. Det gör att vi kan uppnå kommunikation mellan många fler element och lösa stora följdproblem."
Teamet har redan demonstrerat ljuskällor som skulle kunna användas i ett komplett system, men ytterligare arbete krävs för att integrera alla komponenter på ett enda chip. Synapserna i sig kan förbättras genom att använda detektormaterial som fungerar vid högre temperaturer än det nuvarande systemet, och teamet undersöker också tekniker för att implementera synaptisk viktning i större neuromorfa chips. + Utforska vidare
