Muitas técnicas existentes para o desenvolvimento de ferramentas de computação quântica e neuromórfica são baseadas no uso de supercondutores, substâncias que se tornam supercondutoras em baixas temperaturas. Nas mesmas arquiteturas, semicondutores, substâncias com condutividade parcial, geralmente são usados ​​para obter controle de nível superior. Para trabalhar com mais eficiência, Portanto, sistemas quânticos e neuromórficos exigiriam uma interface supercondutora / semicondutora de baixa potência que ainda não foi desenvolvida.

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Boulder, O Jet Propulsion Lab da NASA e a Lancaster University no Reino Unido recentemente realizaram um interruptor térmico supercondutor que pode traduzir entradas de baixa tensão em saídas compatíveis com semicondutores em temperaturas na escala Kelvin. Em seu jornal, publicado em Nature Electronics , os pesquisadores demonstraram seu potencial para interface de supercondutores e semicondutores, usá-lo para acionar um diodo emissor de luz em um circuito integrado fotônico.

"Em nossa pesquisa, estamos tentando construir neurônios de hardware que serão extremamente escaláveis, "Adam McCaughan, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse TechXplore. "Para construir um computador neuromórfico à escala do cérebro, você precisa ter trilhões de neurônios e quintilhões de conexões - isso significa que você precisa ser extremamente eficiente em termos de energia e ter muita comunicação entre os neurônios. É por isso que escolhemos combinar supercondutores e optoeletrônica para construir os neurônios. "

Em seu estudo, McCaughan e seus colegas combinaram supercondutores com optoeletrônica, um tipo de tecnologia que usa tanto eletrônica quanto luz. Os supercondutores que eles usaram são ultra eficientes em termos de energia, enquanto a optoeletrônica permite que neurônios individuais se comuniquem com milhares de seus pares. Mesclando essas duas tecnologias, Contudo, provou ser incrivelmente desafiador.

"Parte da razão pela qual os supercondutores são tão eficientes em termos de energia é que eles usam sinais muito pequenos, cerca de 1/1000 da voltagem necessária no silício, ", Disse McCaughan." Mas essa mesma eficiência também significa que eles têm problemas para falar com optoeletrônica de silício, portanto, precisávamos encontrar uma maneira de traduzir as saídas supercondutoras em entradas de nível de silício. "

O interruptor supercondutor projetado por McCaughan e seus colegas alavanca a transformação do supercondutor de um estado da matéria para outro, conhecido como 'transição de fase, 'para traduzir entradas de baixo nível em saídas compatíveis com silício. O principal componente do switch é um nanofio supercondutor em nanoescala com duas 'fases' ou 'estados':a fase supercondutora quântica e a fase resistiva.

"Quando ligamos o interruptor, nós geramos calor na forma de fônons, "McCaughan explicou." Este calor destrói a fase supercondutora e força o fio para a fase resistiva. Praticamente, o que isso significa é que quando ligamos o interruptor, o nanofio vai de resistência zero a uma resistência muito grande, semelhante a um interruptor de luz em sua casa, mas em nanoescala, e alguns graus acima do zero absoluto. "

Em seu estudo, os pesquisadores usaram o interruptor térmico supercondutor para acionar um diodo emissor de luz em um circuito integrado fotônico. Eles foram capazes de gerar fótons a 1 K a partir de uma entrada de baixa tensão, enquanto os detecta com um detector de fóton único supercondutor on-chip.

O switch que desenvolveram é o primeiro dispositivo supercondutor capaz de produzir uma mudança tão grande sob demanda, ao mesmo tempo que faz interface com supercondutores e semicondutores. Notavelmente, também é muito eficiente em termos de energia, portanto, ele usa muito menos energia do que outros dispositivos existentes.

"Para o nosso trabalho neuromórfico, o desenvolvimento deste dispositivo significa que as partes supercondutoras de nossos neurônios podem agora falar diretamente com as partes optoeletrônicas, "McCaughan explicou." Como mostramos em nosso jornal, podemos usá-lo para fazer coisas muito úteis, como alimentar a comunicação óptica a um grau acima do zero absoluto. Estamos muito animados para ver como outras pessoas vão usar essa ideia. "

No futuro, este interruptor supercondutor pode abrir caminho para o desenvolvimento de computadores quânticos mais avançados, já que muitos desses sistemas exigirão a integração de dispositivos supercondutores com circuitos de controle de silício. McCaughan e seus colegas estão agora planejando implementar seu dispositivo em neurônios para testar sua eficácia e observar as interações resultantes entre neurônios individuais.

"Picos de neurônios como os do cérebro e os que estamos construindo são comumente considerados a próxima geração de dispositivos de inteligência artificial, mas treiná-los não é tão bem compreendido quanto é para a geração atual de sistemas de aprendizado profundo, "McCaughan disse." Temos colaborado com o TENNLab da Universidade do Tennessee para otimizar as redes de nossos neurônios, e é muito emocionante ver como apenas um pequeno punhado de nossos neurônios com spikes pode resolver tarefas como balanceamento de pólos e classificação de dados. "

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