用于連接超導(dǎo)體和半導(dǎo)體的超導(dǎo)開關(guān)

開發(fā)量子和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算工具的許多現(xiàn)有技術(shù)都是基于超導(dǎo)體的使用，超導(dǎo)體是在低溫下會超導(dǎo)的物質(zhì)。在相同的體系結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體(具有部分導(dǎo)電性的物質(zhì))通常用于實(shí)現(xiàn)頂級控制。因此，為了更有效地工作，量子和神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)將需要尚未開發(fā)的低功率超導(dǎo)體/半導(dǎo)體接口。

博爾德標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所，宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和英國蘭開斯特大學(xué)的研究人員最近實(shí)現(xiàn)了一種超導(dǎo)熱開關(guān)，該開關(guān)可以在開爾文溫度下將低壓輸入轉(zhuǎn)換為半導(dǎo)體兼容的輸出。在發(fā)表于《自然電子》(Nature Electronics)上的論文中，研究人員展示了其在超導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間進(jìn)行連接的潛力，并利用它來驅(qū)動光子集成電路中的發(fā)光二極管。

進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一亞當(dāng)·麥考恩(Adam McCaughan)告訴TechXplore：“在我們的研究中，我們正在嘗試構(gòu)建可大規(guī)模擴(kuò)展的硬件神經(jīng)元。”“為了構(gòu)建大腦規(guī)模的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)，您需要擁有數(shù)萬億個神經(jīng)元和五百億個連接-這意味著您必須非常節(jié)能，并且神經(jīng)元之間必須進(jìn)行大量交流。這就是為什么我們選擇結(jié)合超導(dǎo)體的原因并用光電來制造神經(jīng)元。”

在研究中，麥考恩和他的同事們將超導(dǎo)體與光電子技術(shù)相結(jié)合，光電子技術(shù)是一種同時使用電子和光的技術(shù)。他們使用的超導(dǎo)體具有超高能效，而光電器件則允許單個神經(jīng)元與成千上萬的同伴通信。但是，將這兩種技術(shù)合并起來極具挑戰(zhàn)性。

麥考恩說：“超導(dǎo)體之所以如此節(jié)能，部分原因是它們使用了非常小的信號，大約是硅所需電壓的1/1000。”“但是同樣的效率也意味著他們在與硅光電技術(shù)的交流中遇到麻煩，因此我們需要找到一種將超導(dǎo)輸出轉(zhuǎn)換為硅級輸入的方法。”

McCaughan及其同事設(shè)計(jì)的超導(dǎo)開關(guān)利用了超導(dǎo)體從一種物質(zhì)狀態(tài)到另一種物質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換(稱為“相變”)，將低電平輸入轉(zhuǎn)換為與硅兼容的輸出。開關(guān)的主要成分是具有兩個“相”或“狀態(tài)”的納米級超導(dǎo)納米線：量子超導(dǎo)相和電阻相。

麥考恩解釋說：“當(dāng)我們打開開關(guān)時，我們會以聲子的形式產(chǎn)生熱量。”“這種熱量會破壞超導(dǎo)相并使導(dǎo)線進(jìn)入電阻相。實(shí)際上，這意味著當(dāng)我們打開開關(guān)時，納米線將從零電阻變?yōu)榉浅４蟮碾娮?，類似于您家中的電燈開關(guān)。 ，但在納米級，并且比絕對零值高出幾度。”

在他們的研究中，研究人員使用超導(dǎo)熱開關(guān)來驅(qū)動光子集成電路中的發(fā)光二極管。它們能夠從低壓輸入產(chǎn)生1 K的光子，同時使用片上超導(dǎo)單光子檢測器對其進(jìn)行檢測。

他們開發(fā)的開關(guān)是有史以來第一款能夠按需產(chǎn)生如此巨大變化的超導(dǎo)設(shè)備，同時還連接了超導(dǎo)體和半導(dǎo)體。值得注意的是，它還是非常節(jié)能的，因此它比其他現(xiàn)有設(shè)備消耗的能量少得多。

麥考恩解釋說：“對于我們的神經(jīng)形態(tài)工作，這種設(shè)備的發(fā)展意味著我們神經(jīng)元的超導(dǎo)部分現(xiàn)在可以直接與光電部分對話。”“正如我們在論文中所展示的，我們可以使用它來做非常有用的事情，例如以高于絕對零的1度為光通信供電。我們很高興看到其他人如何利用這一想法。”

將來，這種超導(dǎo)開關(guān)將為更先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)鋪平道路，因?yàn)樵S多此類系統(tǒng)將需要將超導(dǎo)器件與硅控制電路集成在一起。McCaughan和他的同事現(xiàn)在正計(jì)劃在神經(jīng)元上實(shí)現(xiàn)其設(shè)備，以測試其有效性并觀察各個神經(jīng)元之間的相互作用。

“通常說來，諸如大腦中的神經(jīng)元和我們正在構(gòu)建的神經(jīng)元是下一代人工智能設(shè)備，但是對神經(jīng)元的訓(xùn)練并不像當(dāng)前的深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)那樣被理解，麥考恩說。“我們一直與田納西大學(xué)的TENNLab合作，以優(yōu)化我們的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，看到一小撮尖峰神經(jīng)元如何能夠解決極平衡和數(shù)據(jù)分類等任務(wù)，這真是令人興奮。”