Les scientifiques se sont longtemps inspirés du cerveau pour concevoir des systèmes informatiques. Certains chercheurs sont récemment allés encore plus loin en fabriquant du matériel informatique avec une structure semblable à celle du cerveau. Ces "puces neuromorphiques" se sont déjà révélées très prometteuses, mais elles ont utilisé l'électronique numérique conventionnelle, limitant leur complexité et leur rapidité. Au fur et à mesure que les puces deviennent plus grandes et plus complexes, les signaux entre leurs composants individuels sont sauvegardés comme des voitures sur une autoroute encombrée et réduisent le calcul à un crawl.

Aujourd'hui, une équipe du National Institute of Standards and Technology (NIST) a présenté une solution à ces problèmes de communication qui pourrait un jour permettre aux systèmes neuronaux artificiels de fonctionner 100 000 fois plus rapidement que le cerveau humain.

Le cerveau humain est un réseau d'environ 86 milliards de cellules appelées neurones, dont chacune peut avoir des milliers de connexions (appelées synapses) avec ses voisines. Les neurones communiquent entre eux à l'aide de courtes impulsions électriques appelées pointes pour créer des schémas d'activité riches et variables dans le temps qui constituent la base de la cognition. Dans les puces neuromorphiques, les composants électroniques agissent comme des neurones artificiels, acheminant les signaux de pointe à travers un réseau semblable au cerveau.

En se débarrassant de l'infrastructure de communication électronique conventionnelle, les chercheurs ont conçu des réseaux avec de minuscules sources de lumière à chaque neurone qui diffusent des signaux optiques à des milliers de connexions. Ce schéma peut être particulièrement économe en énergie si des dispositifs supraconducteurs sont utilisés pour détecter des particules uniques de lumière appelées photons, le plus petit signal optique possible pouvant être utilisé pour représenter un pic.

Dans une nouvelle Nature Electronics article, les chercheurs du NIST ont réalisé pour la première fois un circuit qui se comporte un peu comme une synapse biologique mais qui n'utilise que des photons uniques pour transmettre et recevoir des signaux. Un tel exploit est possible en utilisant des détecteurs supraconducteurs à photon unique. Le calcul dans le circuit NIST se produit lorsqu'un détecteur à photon unique rencontre un élément de circuit supraconducteur appelé jonction Josephson.

Une jonction Josephson est un sandwich de matériaux supraconducteurs séparés par un mince film isolant. Si le courant traversant le sandwich dépasse une certaine valeur seuil, la jonction Josephson commence à produire de petites impulsions de tension appelées fluxons. Lors de la détection d'un photon, le détecteur à photon unique pousse la jonction Josephson au-dessus de ce seuil et les fluxons s'accumulent sous forme de courant dans une boucle supraconductrice. Les chercheurs peuvent régler la quantité de courant ajoutée à la boucle par photon en appliquant une polarisation (une source de courant externe alimentant les circuits) à l'une des jonctions. C'est ce qu'on appelle le poids synaptique.

Ce comportement est similaire à celui des synapses biologiques. Le courant stocké sert de forme de mémoire à court terme, car il fournit un enregistrement du nombre de fois où le neurone a produit un pic dans un passé proche. La durée de cette mémoire est définie par le temps nécessaire au courant électrique pour se désintégrer dans les boucles supraconductrices, ce qui, selon l'équipe du NIST, peut varier de centaines de nanosecondes à quelques millisecondes, et probablement au-delà.

Cela signifie que le matériel pourrait être adapté à des problèmes survenant à de nombreuses échelles de temps différentes, des systèmes de contrôle industriels à grande vitesse aux conversations plus tranquilles avec les humains. La possibilité de définir différents poids en modifiant la polarisation des jonctions Josephson permet une mémoire à plus long terme qui peut être utilisée pour rendre les réseaux programmables afin que le même réseau puisse résoudre de nombreux problèmes différents.

Les synapses sont un composant informatique crucial du cerveau, donc cette démonstration de synapses supraconductrices à photon unique est une étape importante sur la voie de la réalisation de la vision complète de l'équipe des réseaux optoélectroniques supraconducteurs. Pourtant, la poursuite est loin d'être terminée. La prochaine étape de l'équipe consistera à combiner ces synapses avec des sources de lumière sur puce pour faire la démonstration de neurones optoélectroniques entièrement supraconducteurs.

"Nous pourrions utiliser ce que nous avons démontré ici pour résoudre des problèmes de calcul, mais l'échelle serait limitée", a déclaré le chef de projet du NIST, Jeff Shainline. "Notre prochain objectif est de combiner cette avancée dans l'électronique supraconductrice avec des sources lumineuses à semi-conducteurs. Cela nous permettra d'établir une communication entre beaucoup plus d'éléments et de résoudre de gros problèmes conséquents."

L'équipe a déjà démontré des sources lumineuses qui pourraient être utilisées dans un système complet, mais des travaux supplémentaires sont nécessaires pour intégrer tous les composants sur une seule puce. Les synapses elles-mêmes pourraient être améliorées en utilisant des matériaux détecteurs qui fonctionnent à des températures plus élevées que le système actuel, et l'équipe explore également des techniques pour mettre en œuvre la pondération synaptique dans des puces neuromorphiques à plus grande échelle. + Explorer plus loin

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