类脑的超导光学系统实现高速计算

NIST开发的网络在每个神经元上都有微型光源传播至连接处

科学家们一直把大脑作为计算机系统的设计灵感。近日，美国科学家想进一步优化，制造了具有类脑结构的计算机硬件。这些“神经形态芯片”已经显示出巨大的前景，然而，其中的传统数字电子器件限制了其复杂性和速度。

图1 NIST“未来人造光电神经元”的艺术效果图。

目前，美国国家标准与技术研究所（以下简称NIST）团队已经解决以上矛盾，该方案可能使人工神经系统的运行速度比人类大脑快10万倍。

他们首次实现了一种电路，其行为与生物突触非常相似，但只使用单个光子传输和接收信号，通过超导单光子探测器可实现。以上研究成果已发表在期刊《Nature Electronics》上。

NIST电路中的计算发生在单光子探测器与约瑟夫森结的超导电路衔接处，约瑟夫森结本质上是由薄绝缘单层隔开的超导材料夹层。

如果通过“三明治”夹层的电流超过一定阈值，约瑟夫森结开始产生称为磁通子的小电压脉冲。在检测一个光子时，单光子探测器将约瑟夫森结推过这个阈值，并且磁通子在超导回路中积累电流。此外，他们可以通过对其中一个连接点（称为突触重量）施加偏压来调整每个光子环路中的电流量。

图2 类似于人造突触的超导电路。

“生物突触”

这种行为类似于神经信号在生物突触间传播。储存的电流作为短期记忆的一种形式，记录了神经元先前产生尖峰的次数。这种存储器的持续时间是由超导回路中的电流衰减时间决定的，NIST团队证明超导回路的电流衰减时间在数百纳米至数毫秒之间，甚至更长。

这意味着硬件可应用于不同时间尺度的问题，从高速工业控制系统到社交沟通。通过改变约瑟夫森结的偏置来设置不同权重，使其成为长期存储器，可以用来变成，这样同一个网络可以解决许多不同的问题。

NIST表示，这种超导单光子突触是“实现该团队超导光电网络发展史上的重要里程碑”。然而，这一计划并未完成，该团队计划将这些突触与芯片上的光源结合起来，展示完整的超导光电神经元。

NIST团队负责人Jeff Shainline说：“我们可以用这里演示的方法来解决计算问题，但规模是有限的。下一个目标是将超导电子技术的进步与半导体光源结合起来。这将使我们实现更多元素之间的沟通，并解决重大的后果性问题。”

该团队已经展示了可用于整个系统的光源，但是需要进一步工作将所有组件集成到一个芯片上。突触本身可以通过使用比现有系统运行温度更高的探测器材料来改进，该团队还在探索在更大规模的神经形态芯片中实现突触加权的技术。