量子材料展「のん」

私たちはコンピューターの方が人間よりも効率的だと信じがちです。 結局のところ、コンピューターは複雑な数式を瞬時に完成させることができ、私たちが忘れがちな俳優の名前を思い出すこともできます。 しかし、人間の脳は、ほとんどエネルギーを投入せずに、複雑な情報層を迅速かつ正確に処理できます。たとえば、一度見ただけで顔を認識したり、山と海の違いを瞬時に認識したりできます。 これらの単純な人間のタスクには、コンピューターからの膨大な処理とエネルギー入力が必要ですが、それでも精度はさまざまです。

最小限のエネルギー要件で脳のようなコンピューターを作成すると、現代生活のほぼすべての側面に革命が起こるでしょう。 エネルギー省の資金提供を受け、カリフォルニア大学サンディエゴ校が主導する全国的なコンソーシアムであるエネルギー効率の高いニューロモーフィック コンピューティングのための量子材料 (Q-MEEN-C) がこの研究の最前線に立ってきました。

カリフォルニア大学サンディエゴ校の物理学助教授アレックス・フラニョ氏は、Q-MEEN-C の共同ディレクターであり、センターの活動を段階的に考えています。 最初の段階では、カリフォルニア大学名誉学長で物理学教授のロバート・ダインズ氏、ラトガース大学工学部教授のシュリラム・ラマナタン氏と緊密に連携しました。 彼らのチームは力を合わせて、量子材料内に単一の脳要素 (ニューロンやシナプスなど) の特性を作成または模倣する方法を見つけることに成功しました。

現在、フェーズ 2 では、Nano Letters に掲載された Q-MEEN-C の新しい研究により、隣接する電極間を通過する電気刺激が、隣接していない電極にも影響を与える可能性があることが示されています。 非局所性として知られるこの発見は、ニューロモーフィック コンピューティングとして知られる脳機能を模倣する新しいタイプのデバイスに向けた取り組みにおける重要なマイルストーンです。

非局所性として知られる、隣接する電極間を通過する電気刺激は、隣接しない電極にも影響を与える可能性があります。 (作者: マリオ・ロハス / カリフォルニア大学サンディエゴ校)

「脳では、これらの非局所的な相互作用は名目上のものであると理解されています。これらは頻繁に、最小限の労力で発生します」と論文の共著者の一人であるフラニョ氏は述べています。 「これは脳の動作の重要な部分ですが、合成素材で再現される同様の動作はほとんどありません。」

現在実を結んでいる多くの研究プロジェクトと同様に、量子材料の非局所性が可能かどうかをテストするというアイデアはパンデミック中に生まれました。 物理的な実験室スペースは閉鎖されていたため、チームは脳内の複数のニューロンとシナプスを模倣する複数のデバイスを含むアレイで計算を実行しました。 これらのテストを実行すると、理論的には非局所性が可能であることがわかりました。

研究室が再開されたとき、彼らはこのアイデアをさらに洗練させ、カリフォルニア大学サンディエゴ・ジェイコブズ工学部准教授のドゥイグ・クズム氏の協力を得ました。彼は電気工学およびコンピュータ工学での研究で、シミュレーションを実際のデバイスに変えるのに役立ちました。

これには、豊富な電子特性を示す「量子材料」セラミックであるニッケル酸塩の薄膜を取り、水素イオンを挿入し、その上に金属導体を配置することが含まれていました。 電気信号をニッケル酸塩に送信できるように、ワイヤーが金属に取り付けられています。 信号によりゲル状の水素原子が特定の配置に移動し、信号が除去されると新しい配置が残ります。

「これは本質的に、記憶がどのようなものであるかです」とフラニョ氏は述べています。 「デバイスは、あなたが物質を撹乱したことを記憶しています。 今では、これらのイオンがどこに行くかを微調整して、より導電性が高く、電気が流れやすい経路を作成できるようになりました。」

従来、ラップトップなどに電力を供給するのに十分な電力を輸送するネットワークを構築するには、連続接続ポイントを備えた複雑な回路が必要であり、非効率的で高価でした。 Q-MEEN-C の設計コンセプトは、実験における非局所的な動作により、回路内のすべてのワイヤを相互に接続する必要がないことを意味するため、非常にシンプルです。 クモの巣を思い浮かべてください。ある部分の動きが巣全体で感じられます。