W Narodowych Instytutach Standardów i Technologii (NIST) powstał nadprzewodzący przełącznik, który potrafi uczyć się i może w przyszłości służyć do łączenia procesorów oraz przechowywania danych w komputerach działających na podobieństwo ludzkiego mózgu. To brakujący dotychczas element „komputerów neuromorficznych”.

Zbudowana na NIST sztuczna synapsa to cylinder o średnicy 10 mikrometrów. Potrafi on przyjmować sygnały elektryczne i odpowiednio dostosowywać sygnały wychodzące. Proces przekształcania sygnałów opiera się na nabytym doświadczeniu lub wpływie otoczenia. Im więcej sygnałów przepływa przez sztuczny neuron, tym połączenie staje się mocniejsze. Całość działa podobnie do naturalnych synaps, które potrafią utrzymywać stare połączenia i tworzyć nowe. Różnica jest taka, że sztuczna synapsa może przesyłać do miliarda sygnałów na sekundę, podczas gdy synapsy ludzkiego mózgu reagują 50 razy na sekundę. Jednocześnie sztuczna synapsa używa 1/10 000 mniej energii do wysłania sygnału. W praktyce maksymalne zużycie energii na impuls wynosi mniej niż 1 attodżul. Synapsa z NIST używa mniej energii niż ludzkie synapsy. Nie mamy informacji o tym, by istniały inne sztuczne synapsy używające mniej energii niż nasza, stwierdził fizyk Mike Schneider z NIST.

Dotychczas powstawały nadprzewodzące urządzenia naśladujące komórki ludzkiego mózgu, ale brakowało wydajnych sztucznych synaps. Ludzki mózg pozostaje niedoścignionym wzorcem dla twórców komputerów, jest bowiem w stanie przetwarzać dane zarówno po kolei jak i jednocześnie, a informacje są przechowywane w synapsach rozsianych po całym mózgu. Współczesne komputery przetwarzają dane po kolei, a informacje przechowywane są w osobnych, wyspecjalizowanych jednostkach.

Synapsa NIST to złącze Josephsona. Wykorzystuje ona standardowe elektrody z niobu, jednak wypełniono ją unikatowym materiałem składającym się ze zbudowanych z manganu domen umieszczonych na krzemowej matrycy. Na każdym mikrometrze kwadratowym umieszczono 20 000 takich domen. Działają one jak niewielkie magnesy, których spin może być uporządkowany lub rozmieszczony przypadkowo. To programowalne złącza Josephsona. Możemy kontrolować liczbę nanodomen zorientowanych w tym samym kierunku, a w ten sposób kontrolujemy właściwości nadprzewodzące złącza, mówi Schneider.

Zachowanie synapsy można zmieniać dzięki zmianom w jej budowie oraz temperaturze pracy. Na przykład manipulując wielkością nanodomen można manipulować ilością energii potrzebnej do manipulowania stopniem uporządkowania struktury magnetycznej. Manipulując temperaturą pracy można zaś dobierać siłę sygnałów wychodzących. Co istotne, synapsy można łączyć w układy 3D i w ten sposób tworzyć większe systemy nadające się do wykorzystania w komputerach. Badacze z NIST już stworzyli teoretyczny model pracy takiego systemu.