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一种新材料让科学家更接近“量子大脑”

通过|2021年2月2日,

一种类似于人脑工作方式的、通过改变自身来学习的智能材料,可能会成为新一代计算机的基础。

图像改编自Unsplash

在本周发表的一项最新研究中,来自内梅亨大学的物理学家们声称,他们在探索开发“量子大脑”方面取得了重要进展。

在神经科学中,有一个假说认为经典力学不能解释意识。相反,智能材料,比如我们的大脑,通过物理改变自己来学习,因此,更容易通过量子力学现象来解释,比如纠缠和叠加。创造出能够模仿这种行为的材料可能会成为新一代计算机的基础。

由亚历山大·哈杰托里安斯教授领导的内梅亨大学的研究人员在他们的研究中证明,他们可以构建和连接单个原子的网络,并以此模仿人类大脑中神经元和突触的自主行为。

为什么我们需要量子大脑?

“很明显,我们必须找到新的策略,以一种节能的方式存储和处理信息,”Khajetoorians说一份声明。“这不仅需要改进技术,还需要对改变游戏规则的方法进行基础研究。我们基于材料的量子特性建立‘量子大脑’的新想法可能会成为未来人工智能应用解决方案的基础。”

传统上,人工智能使用模式识别和机器学习软件来执行任务,并从遇到的情况中学习。这些系统必须在一个单独的硬盘上存储和处理这些信息。“虽然这是基于一个有百年历史的范例,但这是一个非常低效的过程,”神经网络和机器智能教授、该研究的合著者之一伯特·卡彭(Bert Kappen)说。

因此,该团队试图发现一个系统是否可以做到同样的事情,而不需要这个额外的软件。

适应性强的原子

这实际上要追溯到2018年,当时Khajetoorians和合作者证明了以单个钴原子的状态存储信息是可能的。量子力学系统通常就是这样构建的,通过操纵单个原子或原子粒子的量子态。在他们早期的研究中,通过给钴原子施加电压,该团队能够使钴原子同时处于两种状态(二进制形式为1和0),这表明这些原子可以用来存储信息。

现在,Khajetoorians和他的同事们已经发现了如何将这些原子连接到量身定制的网络中,从而模仿人工智能中使用的类脑模型的行为。通过在黑磷上构建钴原子网络,他们能够构建一种以类似于大脑的方式存储和处理信息的材料,更令人惊讶的是,这种材料能够根据输入自行适应。

Khajetoorians说:“当用一定的电压在较长时间内刺激这些物质时,我们非常惊讶地发现,这些突触实际上发生了变化。”“材料根据其接收到的外部刺激调整其反应。它是自学的。”

新材料即将问世

研究人员现在计划扩大该系统的规模,建立一个更大的原子网络,并深入研究可以使用的新“量子”材料。此外,他们还需要了解原子网络的行为方式。

Khajetoorians说:“我们正处于一个可以将基础物理学与生物学概念联系起来的阶段,比如记忆和学习。”“如果我们最终能用这种材料建造一台真正的机器,我们就能建造出比现在的计算机更节能、更小的自学习计算机设备。”然而,只有当我们了解它是如何工作的——这仍是一个谜——我们才能调整它的行为,并开始把它发展成一种技术。这是一个非常激动人心的时刻。”

参考:Brian Kiraly等人,一个具有自适应能力的原子玻尔兹曼机器,《自然纳米技术》(2021)。DOI: 10.1038 / s41565 - 020 - 00838 - 4

节选自内梅亨大学提供的新闻稿