Квантовые материалы демонстрируют «не

Мы часто считаем, что компьютеры более эффективны, чем люди. В конце концов, компьютеры могут за мгновение решить сложное математическое уравнение, а также вспомнить имя того актера, которого мы все время забываем. Однако человеческий мозг может обрабатывать сложные слои информации быстро, точно и практически без затрат энергии: узнавая лицо, увидев его всего один раз, или мгновенно понимая разницу между горой и океаном. Эти простые человеческие задачи требуют огромной обработки и затрат энергии со стороны компьютеров, да и то с разной степенью точности.

Создание компьютеров, подобных мозгу, с минимальными затратами энергии произвело бы революцию почти во всех аспектах современной жизни. Финансируемый Министерством энергетики проект «Квантовые материалы для энергоэффективных нейроморфных вычислений» (Q-MEEN-C) — общенациональный консорциум во главе с Калифорнийским университетом в Сан-Диего — находится в авангарде этих исследований.

Доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Сан-Диего Алекс Франьо является содиректором Q-MEEN-C и рассматривает работу центра поэтапно. На первом этапе он тесно сотрудничал с почетным президентом Калифорнийского университета и профессором физики Робертом Дайнсом, а также профессором инженерных наук Рутгерса Шрирамом Раманатаном. Вместе их командам удалось найти способы создания или имитации свойств отдельного элемента мозга (например, нейрона или синапса) в квантовом материале.

Теперь, на втором этапе, новое исследование Q-MEEN-C, опубликованное в журнале Nano Letters, показывает, что электрические стимулы, передаваемые между соседними электродами, могут также влиять на соседние электроды. Это открытие, известное как нелокальность, является важной вехой на пути к новым типам устройств, имитирующих функции мозга, известные как нейроморфные вычисления.

Электрические стимулы, передаваемые между соседними электродами, известные как нелокальность, могут также влиять на несмежные электроды. (акр: Марио Рохас / Калифорнийский университет в Сан-Диего)

«Мозг понимает, что эти нелокальные взаимодействия номинальны — они происходят часто и с минимальными усилиями», — заявил Франьо, один из соавторов статьи. «Это важная часть работы мозга, но подобное поведение, воспроизводимое в синтетических материалах, встречается редко».

Как и многие исследовательские проекты, приносящие сейчас свои плоды, идея проверить, возможна ли нелокальность в квантовых материалах, возникла во время пандемии. Физические лабораторные помещения были закрыты ставнями, поэтому команда провела расчеты на массивах, содержащих несколько устройств, имитирующих множество нейронов и синапсов в мозге. Проведя эти тесты, они обнаружили, что нелокальность теоретически возможна.

Когда лаборатории вновь открылись, они усовершенствовали эту идею и привлекли к работе доцента Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего Дуйгу Кузума, чьи работы в области электротехники и вычислительной техники помогли им превратить симуляцию в реальное устройство.

Для этого нужно было взять тонкую пленку из никелата — керамики из «квантового материала», обладающей богатыми электронными свойствами, — вставить ионы водорода, а затем поместить сверху металлический проводник. К металлу прикреплена проволока, по которой на никелат можно послать электрический сигнал. Сигнал заставляет гелеобразные атомы водорода переходить в определенную конфигурацию, а когда сигнал удаляется, новая конфигурация остается.

«По сути, именно так выглядят воспоминания», — заявил Франьо. «Устройство запоминает, что вы возмутили материал. Теперь вы можете точно настроить, куда направляются эти ионы, чтобы создать пути, которые будут более проводящими и по которым будет легче течь электричеству».

Традиционно создание сетей, передающих достаточно электроэнергии для питания чего-то вроде ноутбука, требует сложных схем с непрерывными точками подключения, что неэффективно и дорого. Концепция проектирования Q-MEEN-C намного проще, поскольку нелокальное поведение в эксперименте означает, что все провода в цепи не обязательно должны быть соединены друг с другом. Представьте себе паутину, в которой движение одной части ощущается по всей паутине.