生物超导
生物超导
1971年，克柏报道：具有高浓度固醇的神经纤维的某些部分，在生理温度下有超导性。
后来，有人进一步用实验证实了：胆酸、脱氧胆酸、石胆酸、胆烷酸钠盐的抗磁性分别在30K、60K、277K时起突然变化，而且在这种抗磁性的突变时，原子晶格结构没有变化，本质上这应是电子引起的。尽管这种抗磁性变化与超导性关系还有待研究，但有人认为在这些化合物中存在着高温超导区，即这些材料整体基本是绝缘体，但在材料本体内，分散着许多小的超导区域。还有人认为就脱氧核糖核酸（DNA）的分子结构而言，可能产生超导体。
还有人提出，在人的大脑中，可能存在着超导体，才使人思维如此的敏捷。
有关生物超导体的研究目前还处在初级阶段，但它肯定是一个探索的方向。
大脑中可能的超导性
超导与新型磁性学报 volume32, pages1121–1134 （2019）
简介：
大脑前所未有的力量表明，它可以以量子力学的方式处理信息。由于量子处理已经在超导量子计算机中实现，这可能意味着超导性也是大脑量子计算的基础。超导性也可能是长期记忆的原因。根据这些想法，本文回顾了寻找高临界温度超导体的进展，并试图回答有关大脑超导性的问题。它侧重于最近对脑切片的电测量，其中石墨烯被用作室温量子介质，并认为这些测量可以解释为哺乳动物大脑神经网络中超导性的证据。大脑中超导网络的估计临界温度相当高，2022 ± 157 K。在利特尔模型中预测了与某些分子复合物相连的一维有机链的类似临界温度。一个合理的建议是超导性在大脑神经元内的微管中发展。
Possible Superconductivity in the Brain
P. Mikheenko
Journal of Superconductivity and Novel Magnetism volume 32, pages1121–1134 (2019)Cite this article
Abstract
The unprecedented power of the brain suggests that it may process information quantum-mechanically. Since quantum processing is already achieved in superconducting quantum computers, it may imply that superconductivity is the basis of quantum computation in the brain too. Superconductivity could also be responsible for long-term memory. Following these ideas, the paper reviews the progress in the search for superconductors with high critical temperature and tries to answer the question about the superconductivity in brain. It focuses on recent electrical measurements of brain slices, in which graphene was used as a room-temperature quantum mediator, and argues that these measurements could be interpreted as providing evidence of superconductivity in the neural network of mammalian brains. The estimated critical temperature of superconducting network in the brain is rather high, 2022 ± 157 K. A similar critical temperature was predicted in the Little’s model for one-dimensional organic chains linked to certain molecular complexes. A reasonable suggestion is that superconductivity develops in microtubules inside the neurons of the brain.
计算机科学
超导神经元可以匹配大脑的功率效率
传统计算机需要的能量比我们头脑中的“计算机”多几个数量级。由超导纳米线制成的神经网络可能更接近真实的东西。
大脑的发光概念插图
盖蒂
人类大脑是迄今为止科学界已知的最令人印象深刻的计算设备。大脑以只有几赫兹的时钟速度运行，与以千兆赫兹速度运行的现代微处理器相比，像蜗牛一样。
但它通过同时执行许多计算来获得力量——每秒十亿亿次计算。这种并行性使其能够轻松解决传统计算机尚未解决的问题：驾驶、行走、交谈等。
更令人印象深刻的是，它所做的这一切只不过是一碗粥。相比之下，世界上最强大的超级计算机比大城市使用更多的电力。
这就是为什么计算机科学家希望使用神经网络作为计算主力来复制人脑的计算性能。
说起来容易做起来难。普通芯片可以被编程为表现得像神经网络，但这对计算要求很高，而且耗费能量。
相反，计算机科学家希望构建人工神经元，并将它们连接在类似大脑的网络中。这有可能显着提高能源效率，但没有人提出接近大脑效率的设计。
直到今天。麻省理工学院的Emily Toomey和几位同事设计了一种由纳米线制成的超导神经元，该神经元在许多方面表现得像一个真实的神经元。他们说，他们的设备与大脑的能源效率相匹配（至少在理论上），并且是新一代超导神经网络的构建模块，它将比传统的计算机效率高得多。
超导动作电位
首先是一些背景。神经元以电尖峰或动作电位的形式编码信息，这些信息沿着神经的长度传播。在类脑网络中，神经元通过称为突触的间隙彼此分开。
这些信息可以跳过这些突触，从而影响其他神经元，导致它们放电或抑制它们，从而阻止它们放电。事实上，这允许神经元像逻辑门一样，产生单个输出以响应多个输入。
生物神经元具有许多使这成为可能的重要特性。例如，除非输入信号超过某个阈值电平，否则它们不会触发，并且在经过一定时间之前它们不能再次触发，这一段称为不应期。尖峰沿着轴突（神经元的身体）行进的时间也很重要，因为它编码了尖峰行进的距离。
人工神经元必须能够复制尽可能多的这些特征。这通常需要一些复杂的电路。
但Toomey和同事指出，超导纳米线具有特殊的非线性特性，使它们能够像神经元一样发挥作用。这种特性的产生是因为当流过纳米线的电流超过某个阈值时，纳米线的超导性会分解。
发生这种情况时，电阻突然增加，产生电压脉冲。该脉冲类似于神经元中的动作电位。使用它来调制由第二根超导纳米线产生的另一个脉冲，使模拟更加逼真。
这创造了一个简单的超导电路，具有生物神经元的许多特性。Toomey和co已经证明超导神经元具有放电阈值，不应期和可以根据电路特性以及其他特性进行调整的行进时间。
至关重要的是，这种超导神经元也可用于触发或抑制其他神经元。这种“扇出”属性是创建网络的关键。这是其他超导神经元设计从未能够实现的。
由于超导电路使用的功率非常少，Toomey和同事的计算表明，这种超导神经网络可以与生物神经网络的效率相匹配。
品质因数是神经网络每秒可以使用一瓦特的功率执行的突触操作次数。Toomey和同事说，他们提出的网络应该能够与人脑相匹配，每秒每瓦特管理大约1014次突触操作。“纳米线神经元可以成为一项极具竞争力的技术，从功率和速度的角度来看，”他们说。
当然，也有局限性。也许最重要的是，超导神经元只能连接到少数其他神经元。相比之下，人脑中的每个神经元都连接到数千个邻居。就目前而言，Toomey和co的设计仍然只是一个设计。
尽管如此，模拟还是很有希望的。“这里进行的分析表明，纳米线神经元是推进低功耗人工神经网络的有希望的候选者，”该团队说。
而且潜力巨大。Toomey和同事表示，超导神经网络可以成为超导神经网络形式的全新计算机硬件的基础。这些芯片可以使用超导互连联网在一起，这将导致不会散热。
“结果将是一个大规模的神经形态处理器，它可以被训练为一个尖峰神经网络来执行模式识别等任务，或者用于模拟一个大型的、生物学现实网络的尖峰动力学，”他们说。
这是一项有趣的工作，尽管在兴奋开始建立之前，它需要一个原理验证演示。
参考： arxiv.org/abs/1907.00263 ： 使用超导纳米线的高能效人工神经元