En superledende switch til grænseflade mellem superledere og halvledere

Mange eksisterende teknikker til udvikling af kvante- og neuromorfe computerværktøjer er baseret på brugen af ​​superledere, stoffer, der bliver superledende ved lave temperaturer. I de samme arkitekturer, halvledere, stoffer med delvis ledningsevne, bruges normalt til at opnå kontrol på øverste niveau. For at arbejde mere effektivt, derfor, kvante- og neuromorfe systemer ville kræve en laveffekt superleder/halvleder-grænseflade, som endnu ikke er udviklet.

Forskere ved National Institute of Standards and Technology i Boulder, NASA's Jet Propulsion Lab og Lancaster University i Storbritannien har for nylig realiseret en superledende termisk switch, der kan oversætte lavspændingsindgange til halvlederkompatible udgange ved temperaturer på Kelvin-skala. I deres papir, udgivet i Naturelektronik , forskerne demonstrerede dets potentiale for grænseflader mellem superledere og halvledere, bruger den til at drive en lysemitterende diode i et fotonisk integreret kredsløb.

"I vores forskning, vi forsøger at bygge hardwareneuroner, der vil være massivt skalerbare, "Adam McCaughan, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore. "For at bygge en neuromorf computer i hjerneskala, du skal have billioner af neuroner og kvintillioner af forbindelser - det betyder, at du skal være ekstremt energieffektiv og have masser af kommunikation mellem neuronerne. Det er derfor, vi valgte at kombinere superledere og optoelektronik for at bygge neuronerne."

I deres undersøgelse, McCaughan og hans kolleger kombinerede superledere med optoelektronik, en type teknologi, der både bruger elektronik og lys. De superledere de brugte er ultra energieffektive, mens optoelektronikken tillader individuelle neuroner at kommunikere med tusindvis af deres jævnaldrende. Sammenlægning af disse to teknologier, imidlertid, viste sig at være utroligt udfordrende.

"En del af grunden til, at superledere er så energieffektive er, at de bruger meget små signaler, omkring 1/1000 af den nødvendige spænding i silicium, " sagde McCaughan. "Men den samme effektivitet betyder også, at de har problemer med at tale med siliciumoptoelektronik, så vi var nødt til at finde en måde at oversætte de superledende udgange til input på siliciumniveau."

Den superledende kontakt designet af McCaughan og hans kolleger udnytter superlederens transformation fra en tilstand af stof til en anden, kendt som 'faseovergang, ' for at oversætte input på lavt niveau til siliciumkompatible udgange. Switchens hovedkomponent er en superledende nanotråd i nanoskala med to 'faser' eller 'tilstande':den kvante-superledende fase og den resistive fase.

"Når vi tænder for kontakten, vi genererer varme i form af fononer, McCaughan forklarede. "Denne varme ødelægger den superledende fase og tvinger ledningen ind i den resistive fase. Praktisk talt, hvad det betyder er, at når vi tænder for kontakten, nanotråden går fra nul modstand til en meget stor modstand, ligner en lyskontakt i dit hjem, men på nanoskala, og ved et par grader over det absolutte nulpunkt."

I deres undersøgelse, forskerne brugte den superledende termiske switch til at drive en lysemitterende diode i et fotonisk integreret kredsløb. De var i stand til at generere fotoner ved 1 K fra en lavspændingsindgang, mens de detekteres med en on-chip superledende enkelt-foton detektor.

Switchen, de udviklede, er den første superledende enhed nogensinde, der er i stand til at producere så stor en ændring efter behov, samtidig med at de forbinder superledere og halvledere. Bemærkelsesværdigt, det er også meget energieffektivt, dermed bruger den langt mindre energi end andre eksisterende enheder.

"For vores neuromorfe arbejde, udviklingen af ​​denne enhed betyder, at de superledende dele af vores neuroner nu kan tale direkte til de optoelektroniske dele, " forklarede McCaughan. "Som vi viste i vores papir, vi kan bruge det til at gøre meget nyttige ting, såsom at drive optisk kommunikation ved én grad over det absolutte nulpunkt. Vi er meget spændte på at se, hvordan andre gør brug af denne idé."

I fremtiden, denne superledende switch kunne bane vejen for udviklingen af ​​mere avancerede kvantecomputere, da mange af disse systemer vil kræve integration af superledende enheder med siliciumkontrolkredsløb. McCaughan og hans kolleger planlægger nu at implementere deres enhed på neuroner for at teste dens effektivitet og observere den resulterende interaktion mellem individuelle neuroner.

"Spike neuroner som dem i hjernen og dem, vi bygger, siges almindeligvis at være den næste generation af enheder til kunstig intelligens, men træning af dem er ikke så godt forstået, som det er for den nuværende generation af deep learning-systemer, " sagde McCaughan. "Vi har samarbejdet med TENNLab ved University of Tennessee for at optimere netværk af vores neuroner, og det er meget spændende at se, hvordan bare en lille håndfuld af vores spikneuroner kan løse opgaver som polbalancering og dataklassificering."

© 2019 Science X Network