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Los investigadores han desarrollado un circuito que se comporta de manera similar a una sinapsis biológica, utilizando solo fotones individuales para enviar y recibir señales.
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El cerebro ha sido una inspiración para el desarrollo de los sistemas informáticos. Los investigadores incluso han intentado imitar la estructura del cerebro en el hardware de la computadora. Fueron apodados «chips neuromórficos», que se mostraron muy prometedores, pero usaban electrónica digital tradicional, lo que limitaba su complejidad y velocidad. A medida que los chips crecen y se vuelven más complejos, las señales se congestionan entre sus componentes individuales como automóviles en una autopista bloqueada, lo que reduce la computación a paso de tortuga.
Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha demostrado una solución a estos desafíos de comunicación. Los investigadores han desarrollado un circuito que se comporta de manera similar a una sinapsis biológica, pero usa solo fotones individuales para enviar y recibir señales. Tal hazaña es posible con detectores superconductores de un solo fotón. El cómputo en el circuito NIST ocurre cuando un detector de fotones único se encuentra con un elemento de circuito superconductor llamado unión Josephson.
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Una unión de Josephson es un sándwich de materiales superconductores separados por una fina película aislante. Cuando la corriente a través del sándwich supera cierto umbral, la unión de Josephson comienza a generar pequeños pulsos de voltaje llamados fluxones. Al detectar un fotón, el detector de fotón único empuja la unión de Josephson por encima de este umbral y los fluxones se acumulan como corriente en un bucle superconductor. Los investigadores pueden ajustar la cantidad de corriente añadida al bucle por fotón aplicando una polarización (una fuente de alimentación externa que alimenta el circuito) a una de las uniones. Esto se llama el peso sináptico.
Este comportamiento es similar al de las sinapsis biológicas. La electricidad almacenada sirve como una especie de memoria a corto plazo. La duración de esta memoria está determinada por el tiempo que tarda la corriente eléctrica en decaer en los bucles superconductores, que puede variar de cientos de nanosegundos a milisegundos y probablemente más.
«Podríamos usar lo que hemos demostrado aquí para resolver problemas computacionales, pero el alcance sería limitado», dijo el líder del proyecto NIST, Jeff Shainline. “Nuestro próximo objetivo es combinar este avance en la electrónica superconductora con fuentes de luz de semiconductores. Esto nos permite lograr la comunicación entre muchos más elementos y resolver grandes problemas posteriores”.
Saeed Khan et al., Sinapsis optoelectrónicas superconductoras de un solo fotón, Nature Electronics (2022).
DOI: 10.1038/s41928-022-00840-9
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