02.07.2022
Наш канал в Telegram: https://t.me/berzaru

Российские физики сделали сверхпроводниковый нейрон на основе золотых нанопроводов

Superconducting Bio-Inspired Au-Nanowire-Based Neurons

Учёными МФТИ и МГУ им. М. В. Ломоносова найден перспективный вариант использования нанопроводов из золота для реализации сверхпроводниковых аналогов нейронов. По материалам исследований опубликована статья в журнале Nanomaterials.

Моделирование нейрофизиологических процессов в мозгу живых существ — задача актуальная и очень сложная. Одной из основных проблем в этой области является недостаточное количество нейронов и синапсов в современных нейроморфных процессорах Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS), поскольку увеличение ведёт к большому энергопотреблению и тепловыделению в таких системах.

«Лучшие на сегодня нейроморфные системы имитируют сети, состоящие примерно из одного миллиона нейронов и четверти миллиарда синапсов. Однако самые амбициозные биологические проекты ставят цели достичь 10 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов. Стремление к такой высокой сложности требует решений на основе новых физических принципов передачи и обработки сигналов. Мы исследовали двух- и трёхпереходные сверхпроводящие квантовые интерферометры с джозефсоновскими контактами на основе золотых нанопроволок», — говорит Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.

Применение сверхпроводящих материалов уже используют при разработке искусственных нейронов. Переключение джозефсоновского перехода (контакта сверхпроводников через прослойку диэлектрика) обеспечивает генерацию квантованного всплеска напряжения. Форма этого всплеска может быть близка к той, которая возникает в нейрофизиологических процессах. При этом искусственный нейрон можно реализовать с помощью всего двух джозефсоновских контактов. Это на порядок меньше, чем в технологии, реализуемой с помощью транзисторов в нейроморфных процессорах CMOS.

Учёные из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ с коллегами разработали джозефсоновские структуры на основе нанопроводов для реализации сверхпроводящих биоинспирированных нейронов. Дополнительно была разработана схема сверхпроводящего искусственного нейрона, позволяющая работать в режимах, соответствующих важной биологической активности, отсутствующей в ранее предложенных устройствах.

Проведённые эксперименты показали, что нанопровода из золота могут использоваться как слабая связь для наноразмерных джозефсоновских контактов. Сверхпроводящий контур с двумя такими контактами может работать как «биоподобный» нейрон в быстродействующих и энергоэффективных комплексах моделирования нейрофизиологической активности. Замена одного из джозефсоновских контактов на двухконтактный интерферометр позволила добиться для биоподобного нейрона специальных режимов работы, моделирующих поведение биологической системы в случае заболеваний или под действием медикаментов.

«И эксперимент, и проведённое численное моделирование показывают, что предложенная трёхпереходная ячейка способна имитировать активность специфических биологических нейронов, отсутствующую в ранее представленных сверхпроводящих искусственных нейронах», — рассказывает Игорь Соловьев, научный сотрудник МГУ им. М. В. Ломоносов.

«Предлагаемый нейрон способен имитировать биологическую активность, соответствующую типичной реакции нейрона на обычную внешнюю стимуляцию, а также на допороговое раздражение. Кроме того, он имитирует режим травмы — биофизическую аномалию, вызванную различными нервными заболеваниями и повреждениями нейронов, и взрывной режим», — добавляет Николай Кленов, доцент МГУ им. М. В. Ломоносова.