超导硬件可以扩大类脑计算

长期以来，科学家们一直将大脑视为设计计算系统的灵感来源。一些研究人员最近更进一步，通过制造具有类似大脑结构的计算机硬件。这些“神经形态芯片”已经显示出巨大的希望，但它们使用了传统的数字电子设备，限制了它们的复杂性和速度。随着芯片变得越来越大和越来越复杂，它们各个组件之间的信号会像堵车的高速公路上的汽车一样备份，并将计算减少到爬行。

现在，国家标准与技术研究院 (NIST) 的一个团队已经展示了解决这些通信挑战的方法，有朝一日可能使人工神经系统的运行速度比人脑快 100,000 倍。

人脑是一个由大约 860 亿个称为神经元的细胞组成的网络，每个细胞都可以与其邻居有数千个连接(称为突触)。神经元使用称为尖峰的短电脉冲相互交流，以产生丰富的、随时间变化的活动模式，这些活动模式构成了认知的基础。在神经形态芯片中，电子元件充当人工神经元，通过类似大脑的网络路由尖峰信号。

研究人员摒弃了传统的电子通信基础设施，在每个神经元上设计了带有微型光源的网络，将光信号广播到数千个连接。如果使用超导设备来检测称为光子的单个光粒子(可用于表示尖峰的最小可能光信号)，这种方案的能效尤其高。

在一个新的自然电子论文中，NIST 研究人员首次实现了一种行为类似于生物突触但仅使用单个光子来传输和接收信号的电路。使用超导单光子探测器可以实现这样的壮举。NIST 电路中的计算发生在单光子探测器遇到称为约瑟夫森结的超导电路元件的地方。

约瑟夫森结是由薄绝缘膜隔开的超导材料三明治。如果通过夹层的电流超过某个阈值，约瑟夫森结开始产生称为磁通量的小电压脉冲。在检测到一个光子后，单光子检测器将约瑟夫森结推到该阈值之上，并且通量子作为电流在超导回路中累积。研究人员可以通过向其中一个结施加偏置(为电路供电的外部电流源)来调整每个光子添加到环路的电流量。这称为突触权重。

这种行为类似于生物突触的行为。存储的电流用作短期记忆的一种形式，因为它提供了神经元在不久的过去产生了多少次尖峰的记录。这种记忆的持续时间由电流在超导回路中衰减所需的时间决定，NIST 团队证明，超导回路的时间可以从数百纳秒到毫秒不等，甚至可能更长。

这意味着硬件可以与许多不同时间尺度上发生的问题相匹配——从高速工业控制系统到与人类更悠闲的对话。通过改变约瑟夫森结的偏差来设置不同权重的能力允许长期记忆可用于使网络可编程，以便同一个网络可以解决许多不同的问题。

突触是大脑的关键计算组件，因此超导单光子突触的演示是实现团队对超导光电网络的全面愿景的重要里程碑。然而，追求远未完成。该团队的下一个里程碑是将这些突触与片上光源相结合，以展示完整的超导光电神经元。

NIST 项目负责人 Jeff Shainline 说：“我们可以使用我们在这里展示的东西来解决计算问题，但规模会受到限制。” “我们的下一个目标是将超导电子学的这一进步与半导体光源相结合。这将使我们能够实现更多元素之间的通信并解决大的、相应的问题。”

该团队已经展示了可用于完整系统的光源，但需要进一步的工作将所有组件集成到单个芯片上。突触本身可以通过使用在比当前系统更高的温度下工作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。

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