De nombreuses techniques existantes pour développer des outils de calcul quantique et neuromorphique reposent sur l'utilisation de supraconducteurs, substances qui deviennent supraconductrices à basse température. Dans les mêmes architectures, semi-conducteurs, substances à conductivité partielle, sont généralement utilisés pour obtenir un contrôle de haut niveau. Pour travailler plus efficacement, donc, les systèmes quantiques et neuromorphiques nécessiteraient une interface supraconducteur/semiconducteur de faible puissance qui n'a pas encore été développée.

Chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie de Boulder, Le Jet Propulsion Lab de la NASA et l'Université de Lancaster au Royaume-Uni ont récemment réalisé un interrupteur thermique supraconducteur capable de convertir les entrées basse tension en sorties compatibles avec les semi-conducteurs à des températures à l'échelle Kelvin. Dans leur papier, Publié dans Nature Électronique , les chercheurs ont démontré son potentiel pour l'interfaçage des supraconducteurs et des semi-conducteurs, l'utiliser pour piloter une diode électroluminescente dans un circuit intégré photonique.

« Dans nos recherches, nous essayons de construire des neurones matériels qui seront massivement évolutifs, " Adam McCaughan, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore. "Afin de construire un ordinateur neuromorphique à l'échelle du cerveau, vous devez avoir des milliards de neurones et des quintillions de connexions, ce qui signifie que vous devez être extrêmement économe en énergie et avoir beaucoup de communication entre les neurones. C'est pourquoi nous avons choisi de combiner des supraconducteurs et de l'optoélectronique pour construire les neurones."

Dans leur étude, McCaughan et ses collègues ont combiné les supraconducteurs avec l'optoélectronique, un type de technologie qui utilise à la fois l'électronique et la lumière. Les supraconducteurs qu'ils ont utilisés sont ultra économes en énergie, tandis que l'optoélectronique permet aux neurones individuels de communiquer avec des milliers de leurs pairs. En fusionnant ces deux technologies, cependant, s'est avéré incroyablement difficile.

"L'une des raisons pour lesquelles les supraconducteurs sont si économes en énergie est qu'ils utilisent de très petits signaux, environ 1/1000 de la tension nécessaire dans le silicium, " a déclaré McCaughan. " Mais cette même efficacité signifie également qu'ils ont du mal à parler avec l'optoélectronique de silicium, nous devions donc trouver un moyen de traduire les sorties supraconductrices en entrées au niveau du silicium."

L'interrupteur supraconducteur conçu par McCaughan et ses collègues exploite la transformation du supraconducteur d'un état de la matière à un autre, connu sous le nom de « transition de phase, ' pour traduire les entrées de bas niveau en sorties compatibles avec le silicium. Le composant principal du commutateur est un nanofil supraconducteur à l'échelle nanométrique avec deux « phases » ou « états » :la phase supraconductrice quantique et la phase résistive.

"Quand on allume l'interrupteur, nous générons de la chaleur sous forme de phonons, " a expliqué McCaughan. " Cette chaleur détruit la phase supraconductrice et force le fil dans la phase résistive. Pratiquement, cela signifie que lorsque nous allumons l'interrupteur, le nanofil passe d'une résistance nulle à une très grande résistance, semblable à un interrupteur d'éclairage dans votre maison, mais à l'échelle nanométrique, et à quelques degrés au-dessus du zéro absolu."

Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé le commutateur thermique supraconducteur pour piloter une diode électroluminescente dans un circuit intégré photonique. Ils ont pu générer des photons à 1 K à partir d'une entrée basse tension, tout en les détectant avec un détecteur monophotonique supraconducteur sur puce.

Le commutateur qu'ils ont développé est le tout premier dispositif supraconducteur capable de produire un changement aussi énorme à la demande, tout en interfaçant des supraconducteurs et des semi-conducteurs. Remarquablement, il est également très économe en énergie, il utilise donc beaucoup moins d'énergie que les autres appareils existants.

"Pour notre travail neuromorphique, le développement de ce dispositif permet désormais aux parties supraconductrices de nos neurones de dialoguer directement avec les parties optoélectroniques, " a expliqué McCaughan. " Comme nous l'avons montré dans notre article, nous pouvons l'utiliser pour faire des choses très utiles, comme alimenter la communication optique à un degré au-dessus du zéro absolu. Nous sommes très impatients de voir comment d'autres utilisent cette idée."

À l'avenir, ce commutateur supraconducteur pourrait ouvrir la voie au développement d'ordinateurs quantiques plus avancés, car bon nombre de ces systèmes nécessiteront l'intégration de dispositifs supraconducteurs avec des circuits de commande en silicium. McCaughan et ses collègues prévoient maintenant d'implémenter leur appareil sur des neurones pour tester son efficacité et observer les interactions qui en résultent entre les neurones individuels.

« Les neurones dopés comme ceux du cerveau et ceux que nous construisons sont généralement considérés comme la prochaine génération d'appareils pour l'intelligence artificielle, mais leur formation n'est pas aussi bien comprise que pour la génération actuelle de systèmes d'apprentissage en profondeur, " a déclaré McCaughan. "Nous avons collaboré avec TENNLab à l'Université du Tennessee pour optimiser les réseaux de nos neurones, et c'est très excitant de voir comment une petite poignée de nos neurones à pointes peuvent résoudre des tâches telles que l'équilibrage des pôles et la classification des données."

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