Molte tecniche esistenti per lo sviluppo di strumenti di calcolo quantistico e neuromorfico si basano sull'uso di superconduttori, sostanze che diventano superconduttive a basse temperature. Nelle stesse architetture, semiconduttori, sostanze con una conducibilità parziale, vengono solitamente utilizzati per ottenere un controllo di livello superiore. Per lavorare in modo più efficiente, perciò, i sistemi quantistici e neuromorfi richiederebbero un'interfaccia superconduttore/semiconduttore a bassa potenza che non è stata ancora sviluppata.

Ricercatori del National Institute of Standards and Technology di Boulder, Il Jet Propulsion Lab della NASA e la Lancaster University nel Regno Unito hanno recentemente realizzato un interruttore termico superconduttore in grado di tradurre gli ingressi a bassa tensione in uscite compatibili con i semiconduttori a temperature della scala Kelvin. Nella loro carta, pubblicato in Elettronica della natura , i ricercatori hanno dimostrato il suo potenziale per interfacciare superconduttori e semiconduttori, usandolo per pilotare un diodo emettitore di luce in un circuito integrato fotonico.

"Nella nostra ricerca, stiamo cercando di costruire neuroni hardware che saranno massicciamente scalabili, "Adam McCaughan, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "Per costruire un computer neuromorfo su scala cerebrale, devi avere trilioni di neuroni e quintilioni di connessioni, il che significa che devi essere estremamente efficiente dal punto di vista energetico e avere molta comunicazione tra i neuroni. Ecco perché abbiamo scelto di combinare superconduttori e optoelettronica per costruire i neuroni".

Nel loro studio, McCaughan e i suoi colleghi hanno combinato i superconduttori con l'optoelettronica, un tipo di tecnologia che utilizza sia l'elettronica che la luce. I superconduttori che hanno usato sono ultra efficienti dal punto di vista energetico, mentre l'optoelettronica consente ai singoli neuroni di comunicare con migliaia di loro coetanei. Unendo queste due tecnologie, però, si è rivelato incredibilmente impegnativo.

"Parte del motivo per cui i superconduttori sono così efficienti dal punto di vista energetico è che utilizzano segnali molto piccoli, circa 1/1000 della tensione necessaria al silicio, " ha detto McCaughan. "Ma quella stessa efficienza significa anche che hanno problemi a parlare con l'optoelettronica al silicio, quindi avevamo bisogno di trovare un modo per tradurre le uscite superconduttive in ingressi a livello di silicio".

L'interruttore superconduttore progettato da McCaughan e dai suoi colleghi sfrutta la trasformazione del superconduttore da uno stato della materia all'altro, noto come "transizione di fase, ' per tradurre gli input di basso livello in output compatibili con il silicio. Il componente principale dell'interruttore è un nanofilo superconduttore su scala nanometrica con due "fasi" o "stati":la fase superconduttiva quantistica e la fase resistiva.

"Quando accendiamo l'interruttore, generiamo calore sotto forma di fononi, " ha spiegato McCaughan. "Questo calore distrugge la fase superconduttiva e costringe il filo nella fase resistiva. In pratica, ciò significa che quando accendiamo l'interruttore, il nanofilo passa da una resistenza zero a una resistenza molto grande, simile a un interruttore della luce in casa, ma su scala nanometrica, e a pochi gradi sopra lo zero assoluto."

Nel loro studio, i ricercatori hanno utilizzato l'interruttore termico superconduttore per pilotare un diodo emettitore di luce in un circuito integrato fotonico. Sono stati in grado di generare fotoni a 1 K da un ingresso a bassa tensione, mentre li rileva con un rivelatore a singolo fotone superconduttore su chip.

L'interruttore che hanno sviluppato è il primo dispositivo superconduttore in grado di produrre un cambiamento così grande su richiesta, mentre interfacciava anche superconduttori e semiconduttori. Sorprendentemente, è anche molto efficiente dal punto di vista energetico, quindi utilizza molta meno energia rispetto ad altri dispositivi esistenti.

"Per il nostro lavoro neuromorfico, lo sviluppo di questo dispositivo significa che le parti superconduttrici dei nostri neuroni possono ora parlare direttamente con le parti optoelettroniche, " McCaughan ha spiegato. "Come abbiamo mostrato nel nostro articolo, possiamo usarlo per fare cose molto utili, come alimentare la comunicazione ottica a un grado sopra lo zero assoluto. Siamo molto entusiasti di vedere come altri sfruttano questa idea".

Nel futuro, questo interruttore superconduttore potrebbe aprire la strada allo sviluppo di computer quantistici più avanzati, poiché molti di questi sistemi richiederanno l'integrazione di dispositivi superconduttori con circuiti di controllo in silicio. McCaughan e i suoi colleghi stanno ora pianificando di implementare il loro dispositivo sui neuroni per testarne l'efficacia e osservare le interazioni risultanti tra i singoli neuroni.

"Si dice comunemente che neuroni stimolanti come quelli nel cervello e quelli che stiamo costruendo saranno la prossima generazione di dispositivi per l'intelligenza artificiale, ma la loro formazione non è così ben compresa come lo è per l'attuale generazione di sistemi di deep learning, " ha detto McCaughan. "Abbiamo collaborato con TENNLab presso l'Università del Tennessee per ottimizzare le reti dei nostri neuroni, ed è molto eccitante vedere come solo una piccola manciata dei nostri neuroni di picco possa risolvere compiti come il bilanciamento dei poli e la classificazione dei dati".

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