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Superconducting optoelectronic single-photon synapses

光电子学 光子学 约瑟夫森效应 探测器 纳米线 物理 计算机科学 光子 超导电性 光学 量子力学
作者
Saeed Khan,Bryce A. Primavera,Jeff Chiles,Adam N. McCaughan,Sonia Buckley,Alexander N. Tait,Adriana E. Lita,John Biesecker,Anna E. Fox,D. Olaya,Richard P. Mirin,Sae Woo Nam,Jeffrey M. Shainline
出处
期刊:Nature electronics [Springer Nature]
卷期号:5 (10): 650-659 被引量:27
标识
DOI:10.1038/s41928-022-00840-9
摘要

Superconducting optoelectronic hardware could be used to create large-scale and computationally powerful artificial spiking neural networks. The approach combines integrated photonic components that offer few-photon, light-speed communication with superconducting circuits that offer fast, energy-efficient computation. However, the monolithic integration of photonic and superconducting devices is needed to scale this technology. Here we report superconducting optoelectronic synapses that are created by monolithically integrating superconducting nanowire single-photon detectors with Josephson junctions. The circuits perform analogue weighting and the temporal leaky integration of single-photon presynaptic signals. Synaptic weighting is implemented in the electronic domain allowing binary, single-photon communication to be maintained. Records of recent synaptic activity are locally stored as current in superconducting loops, and dendritic and neuronal nonlinearities are implemented with a second stage of Josephson circuitry. This hardware offers synaptic time constants spanning four orders of magnitude (hundreds of nanoseconds to milliseconds). The synapses are responsive to presynaptic spike rates exceeding 10 MHz and consume approximately 33 aJ of dynamic power per synapse event before accounting for cooling. This demonstration also introduces new avenues for realizing large-scale single-photon detector arrays.
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