Физики МГУ создали аналог биологического нейрона на основе джозефсоновских контактов

Физики Московского университета – сотрудники НОШ МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» с коллегами создали аналог биологического нейрона на основе джозефсоновских контактов. Учеными экспериментально исследованы двух- и трехпереходные сверхпроводящие квантовые интерферометры со слабыми джозефсоновскими связями на основе золотых нанопроволок. Исследуемые клетки использовались для реализации биоинспирированных нейронов – высокопроизводительных, энергоэффективных и компактных элементов нейроморфного процессора. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом журнале Nanomaterials.

Для понимания принципов работы нашего мозга весьма важно уметь создавать искусственные аналоги больших нейрофизиологических систем, способных решать модельные задачи, находясь при этом «под постоянным наблюдением». Однако большие международные проекты, занимающиеся сейчас созданием аналогов человеческого мозга, пока не добились полного успеха, что связано серди прочего со слишком большим энергопотреблением и недостаточным быстродействием используемой традиционной полупроводниковой компонентной базы. Макроскопические квантовые технологии, использующие возможности сверхпроводимости и эффекта Джозефсона, могли бы решить эту проблему, если бы удалось сделать существующие быстродействующие и энергоэффективные аналоги диодов и транзисторов достаточно компактными.

Ученые сумели продвинуться в решении этой проблемы за счет использования золотых нанопроводов для реализации джозефсоновских контактов в сверхпроводниковых аналогах нейронов. Эксперименты и проведенное на их основе иммитационное моделирование показали: сверхпроводящий контур с двумя джозефсоновскими контактами позволяет получить такие же импульсы напряжения в ответ на воздействие, что и в «биологическом» нейроне. Вот только характерные длительности таких импульсов измеряются пикосекундами, а энергии на один импульс выделяется меньше аттоДжоуля (10-18 Дж).

Доцент физического факультета МГУ, сотрудник НОШ «Фотоника» Николай Кленов отметил: «Мы продолжили исследование изготовленных образцов и обнаружили, что замена одного из джозефсоновских контактов на двухконтактный интерферометр, то есть переход к "трехконтактному нейрону", позволяет получить особые режимы работы, аналогичные поведение биологической системы в случае заболеваний или под действием медикаментов. Это существенно расширяет наши возможности по исследованию нейрофизиологических процессов».