在人工神經網絡中，被稱之為神經元的諸多組件被植入數(shù)據(jù)并協(xié)同來解決諸如人臉識別等問題。神經網絡反復調整相互間的突觸——一種神經元之間的連接，確定由此產生的行為模式是否為更佳的解決方案。但隨著時間推移，神經網絡最終會在計算的結果中發(fā)現(xiàn)最佳的行為模式。而后它會選取這些模式作為默認值，模仿人腦的學習過程。

盡管 AI 系統(tǒng)被逐步發(fā)掘更多真實世界中的應用，但鑒于用于驅動其運行的硬件局限性，它們仍面臨諸多重大挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，研究人員已經開發(fā)出了受人腦啟發(fā)的神經形態(tài)計算機硬件。

例如，神經形態(tài)的微芯片組件可能僅會在一定時間內接受到特定數(shù)量的輸入信號時，才可能發(fā)出尖峰信號或者生成一種輸出信號。這是一種更接近模擬真實生物神經元行為方式的策略。與典型的人工神經網絡相比，這些設備僅發(fā)出極少的尖峰信號，因此所處理的數(shù)據(jù)將會少得多，同時原則上所需功率和通信帶寬會小很多。

然而，神經形態(tài)硬件通常使用傳統(tǒng)電子設備，這最終會限制它們可實現(xiàn)的復雜功能和信號傳遞速度。舉例來說，每個生物神經元都可以擁有數(shù)萬個突觸，但神經形態(tài)設備很難將它們的人工神經元相互連接起來。對此，一種有效的解決方案就是多路復用，即一個信號通道可以同時承載更多的信號。然而，隨著芯片變得更大、更復雜精細，運算速度可能會遲緩。

在近期一項新研究中，美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究者們探索使用光發(fā)射器和接收器來連接神經元。原則上，光鏈路或光波導能以光速通信速率將每個神經元與數(shù)千個其他神經元連接起來。相關論文在《自然 · 電子學》上發(fā)表。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00840-9

研究概覽

研究者使用了能夠檢測單光子的超導納米線裝置，其中能檢測到的這些光信號是最小的單元，可被看作能量效率的物理極限。

如下渲染圖展示了模擬神經元突觸（大腦中神經元之間的接口點）的超導電路如何被用來創(chuàng)造未來的人造光電神經元。

執(zhí)行光子神經計算通常很棘手，因為其一般都需要可以在相當長時間內捕獲光的光學腔。在集成微芯片上創(chuàng)建這樣的空腔并將它們與許多波導連接起來具有極大的挑戰(zhàn)性。

因此，研究者開發(fā)了混合電路系統(tǒng)，其中每個探測器的輸出信號被轉換為約 2 皮秒長的超快電脈沖。這些脈沖均由超導量子干涉儀網絡或超導量子干涉儀（SQUID）內的單個磁漲落或磁通量引起。

NIST 的研究員、通訊作者 Jeffrey Shainline 表示，「多年來，我們一直在努力進行理論研究工作，希望發(fā)掘出使技術能夠實現(xiàn)神經形態(tài)計算的物理極限的本質原理。對這一目標的追求讓我們想到了這個概念——將單光子能級的光通信與約瑟夫森結執(zhí)行的神經網絡計算相結合?！?/span>

超導量子干涉儀（SQUID）由一個或多個約瑟夫森結構成，是一個三明治結構，上下均為超導材料，中間由絕緣薄膜隔開。如果通過約瑟夫森結（Josephson junction, JJ）的電流超過某個特定的閾值，超導量子干涉儀就將開始產生磁通量。

在感應到一個光子后，單光子探測器（single-photon detector, SPD）就會產生磁通量子，而后這些通量子就會在 SQUID 的超導回路中作為電流被收集。這種存儲的電流可以作為一種記憶形式，記錄神經元發(fā)出了多少次尖峰信號。

下圖 2 為布局和完成的電路。a 為整個突觸電路的 3D 布局；b 為完成制造的顯微鏡圖像；c 為 SPD 布局；d 為制造中的 SPD；e 為 JJ 和分流電阻的布局；f 為制造中的 JJ 和分流器；g 為用于 DR（dendritic receiving, 樹突接收）循環(huán)的 SQUID；h 為制造中的 DR SQUID。

Shainline 感嘆道，「讓電路工作起來其實相當容易。在設計階段，制造和實驗花費了相當多的時間，但實際上，在我們第一次制造出這些電路時，它們就已經可以開始工作了。這預示著此類系統(tǒng)未來的可擴展性非常好。」

研究者將單光子探測器與約瑟夫森結集成在一起，形成了一個超導突觸。他們計算出突觸的峰值頻率能夠超過 1000 萬赫茲，同時每個突觸事件消耗大約 33 阿托焦耳的能量（1 阿托焦耳等于 10^-18 焦耳）。相比之下，人類神經元的最大平均峰值速率僅約為 340 赫茲 ，而同時每個突觸事件卻將消耗大約 10 飛焦耳（1 飛焦耳等于 10^-15 焦耳）。

下圖 3 展示了單個突觸的特性，其時間常數(shù)為 6.25 μs，電感為 2.5 μH。測量結果表明實際值分別為 8.06 μs 和 3.2 μH。

下圖 4 展示了突觸傳遞函數(shù)可以在廣泛的時間尺度范圍內進行設計。

此外，研究者可以實現(xiàn)這些電路系統(tǒng)設備的輸出時間從數(shù)百納秒變化到毫秒。這也意味著這些硬件可以與一系列系統(tǒng)連接，實現(xiàn)從高速電子設備間的通信乃至人機間更悠閑的交互。

未來，研究者將把他們研發(fā)的新突觸與片上光源相結合，創(chuàng)造出完全集成的超導神經元。Shainline 對此表示，「實現(xiàn)完全集成的超導神經元仍然存在巨大的挑戰(zhàn)，但若我們能夠將最后那部分也集成進去，那么非常有理由相信最終它可能會成為人工智能的強大計算平臺。」