用于连接超导体和半导体的超导开关

开发量子和神经形态计算工具的许多现有技术都是基于超导体的使用，超导体是在低温下会超导的物质。在相同的体系结构中，半导体(具有部分导电性的物质)通常用于实现顶级控制。因此，为了更有效地工作，量子和神经形态系统将需要尚未开发的低功率超导体/半导体接口。

博尔德标准技术研究所，宇航局喷气推进实验室和英国兰开斯特大学的研究人员最近实现了一种超导热开关，该开关可以在开尔文温度下将低压输入转换为半导体兼容的输出。在发表于《自然电子》(Nature Electronics)上的论文中，研究人员展示了其在超导体和半导体之间进行连接的潜力，并利用它来驱动光子集成电路中的发光二极管。

进行这项研究的研究人员之一亚当·麦考恩(Adam McCaughan)告诉TechXplore：“在我们的研究中，我们正在尝试构建可大规模扩展的硬件神经元。”“为了构建大脑规模的神经形态计算机，您需要拥有数万亿个神经元和五百亿个连接-这意味着您必须非常节能，并且神经元之间必须进行大量交流。这就是为什么我们选择结合超导体的原因并用光电来制造神经元。”

在研究中，麦考恩和他的同事们将超导体与光电子技术相结合，光电子技术是一种同时使用电子和光的技术。他们使用的超导体具有超高能效，而光电器件则允许单个神经元与成千上万的同伴通信。但是，将这两种技术合并起来极具挑战性。

麦考恩说：“超导体之所以如此节能，部分原因是它们使用了非常小的信号，大约是硅所需电压的1/1000。”“但是同样的效率也意味着他们在与硅光电技术的交流中遇到麻烦，因此我们需要找到一种将超导输出转换为硅级输入的方法。”

McCaughan及其同事设计的超导开关利用了超导体从一种物质状态到另一种物质状态的转换(称为“相变”)，将低电平输入转换为与硅兼容的输出。开关的主要成分是具有两个“相”或“状态”的纳米级超导纳米线：量子超导相和电阻相。

麦考恩解释说：“当我们打开开关时，我们会以声子的形式产生热量。”“这种热量会破坏超导相并使导线进入电阻相。实际上，这意味着当我们打开开关时，纳米线将从零电阻变为非常大的电阻，类似于您家中的电灯开关。 ，但在纳米级，并且比绝对零值高出几度。”

在他们的研究中，研究人员使用超导热开关来驱动光子集成电路中的发光二极管。它们能够从低压输入产生1 K的光子，同时使用片上超导单光子检测器对其进行检测。

他们开发的开关是有史以来第一款能够按需产生如此巨大变化的超导设备，同时还连接了超导体和半导体。值得注意的是，它还是非常节能的，因此它比其他现有设备消耗的能量少得多。

麦考恩解释说：“对于我们的神经形态工作，这种设备的发展意味着我们神经元的超导部分现在可以直接与光电部分对话。”“正如我们在论文中所展示的，我们可以使用它来做非常有用的事情，例如以高于绝对零的1度为光通信供电。我们很高兴看到其他人如何利用这一想法。”

将来，这种超导开关将为更先进的量子计算机的开发铺平道路，因为许多此类系统将需要将超导器件与硅控制电路集成在一起。McCaughan和他的同事现在正计划在神经元上实现其设备，以测试其有效性并观察各个神经元之间的相互作用。

“通常说来，诸如大脑中的神经元和我们正在构建的神经元是下一代人工智能设备，但是对神经元的训练并不像当前的深度学习系统那样被理解，麦考恩说。“我们一直与田纳西大学的TENNLab合作，以优化我们的神经元网络，看到一小撮尖峰神经元如何能够解决极平衡和数据分类等任务，这真是令人兴奋。”