Być może brzmi to skomplikowanie, ale w praktyce oznacza utorowanie drogi do projektowania szybkich urządzeń neuromorficznych o niskim zużyciu energii. Za badaniami w tej sprawie stoi Yimei Zhu z Brookhaven National Laboratory, który opisał dokonania swojego zespołu na łamach Physical Review X

Sukces Zhu i jego współpracowników polegający na identyfikacji materiałów kwantowych posiadających zdolność do przełączania się między dwoma różnymi formami może w przyszłości doprowadzić do wykorzystywania zaawansowanych technologii obliczeniowych. Dwutlenek wanadu, który stanowił jeden z celów badań, wykazuje przejście z izolatora do metalu w pobliżu temperatury pokojowej, w którym niewielkie napięcie może spowodować dużą zmianę rezystywności z przełączaniem. Ostatecznie możliwe jest naśladowanie zachowania na przykład neuronów, jak i synaps. 

Neurony i synapsy w jednym

Neurony to po prostu komórki nerwowe, podczas gdy synapsy stanowią połączenia między nimi. Jak wyjaśnia główny autor, jednym ze sposobów na zmniejszenie zużycia energii w sztucznych neuronach i synapsach jest wykorzystanie wyraźnych nieliniowych właściwości materiałów kwantowych. Wiadomo, iż w materiałach kwantowych nawet niewielki bodziec elektryczny może wywołać znaczącą odpowiedź, która może być elektryczna, mechaniczna, optyczna lub magnetyczna za sprawą zmiany stanu materiału. 

Wspomniany dwutlenek wanadu przechodzi od stanu całkowitej izolacji do wydajnego przewodnika metalowego ze zmianą rezystywności wynoszącą 10 000 razy lub więcej. Mając do dyspozycji dwa tak bardzo różniące się od siebie stany fizyczne w tym samym materiale naukowcy mogliby je zakodować w taki sposób, by dało się je wykorzystać do obliczeń kognitywnych. W czasie eksperymentów autorzy wywołali przemianę za pomocą niezwykle krótkich impulsów fotonów, by następnie uchwycić reakcję materiału w skali atomowej za pomocą urządzenia MeV-UED. Jest ono w stanie rejestrować dynamikę poruszającego się obiektu w podobny sposób, ale w znacznie szybszej skali czasowej (krótszej niż jedna bilionowa sekundy) niż zwykły aparat.

Na tym jego możliwości się nie kończą, ponieważ robi to w znacznie mniejszej skali wielkości (mniejszej niż jedna miliardowa milimetra), wykorzystując do tego celu wysokoenergetyczne elektrony, co ostatecznie pozwala ujawnić trajektorie atomów. Dzięki tej ultraszybkiej kamerze udało się dokonać tego, co wcześniej było niemożliwe: zobaczyć, jak poruszają się atomy w czasie krótkotrwałych stanów przejściowych. Analizy materiałów wykazały, że przejście to odbywa się w dwóch etapach. Drugi trwa dłużej i jest wolniejszy, a trajektorie ruchów atomów nie są w jego przypadku liniowe.

Długa, ale otwarta droga do stworzenia komputera działającego jak ludzki mózg

Poza tym naukowcy odnotowali, iż środek związany z intensywnością światła użytego do wywołania dynamiki atomowej może wpłynąć na trajektorie atomów. Przy odpowiednio dużej sile układ atomów może przezwyciężyć konkurencyjne oddziaływanie i uzyskać tor zbliżony do liniowego. Obliczenia dynamiki molekularnej i teorii funkcjonalnej gęstości potwierdziły to, co zaobserwowano w czasie eksperymentów. I choć Zhu zdaje sobie sprawę, że stworzenie komputera działającego tak, jak ludzki mózg jest odległą perspektywą, to jego zespół jest na dobrej drodze, by tego dokonać.