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cyqdesign

2021-09-14 21:20

研究人員用新的量子材料模擬出人工大腦網(wǎng)絡(luò)

艾薩克-牛頓在被隔離于鼠疫蔓延的情況下取得了突破性的科學(xué)成果，這是一個(gè)傳奇。加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)家現(xiàn)在可以在大流行病驅(qū)動(dòng)的科學(xué)史上占有一席之地。加州大學(xué)圣地亞哥分校的一個(gè)研究小組和普渡大學(xué)的同事現(xiàn)在已經(jīng)模擬出了模仿大腦功能的新型人工智能計(jì)算設(shè)備的基礎(chǔ)，這一成就很大程度上由COVID-19大流行病封鎖帶來的。

通過將新的超級(jí)計(jì)算材料與專門的氧化物相結(jié)合，研究人員成功地展示了電路和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的主干，這些網(wǎng)絡(luò)反映了基于生物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元和突觸的連接。

《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）對(duì)這些模擬進(jìn)行了描述。

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隨著今天的計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備的帶寬需求達(dá)到其技術(shù)極限，科學(xué)家們正在努力實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的通信能力，在未來，新材料可以被協(xié)調(diào)起來，以模仿類似動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的速度和精度�；诹孔硬牧系纳窠�(jīng)形態(tài)計(jì)算，顯示出基于量子力學(xué)的特性，使科學(xué)家有能力超越傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的限制。這種先進(jìn)的多功能性為新時(shí)代的設(shè)備打開了大門，這些設(shè)備比今天的設(shè)備更靈活，能源需求更低。其中一些工作由物理系助理教授Alex Frañó和加州大學(xué)圣地亞哥分校的量子材料節(jié)能神經(jīng)形態(tài)計(jì)算（Q-MEEN-C）的其他研究人員領(lǐng)導(dǎo)，該中心是能源部支持的能源前沿研究中心。

Frañó說："在過去的50年里，我們看到了令人難以置信的技術(shù)成就，這些成就讓計(jì)算機(jī)逐漸變小和變快--但即使是這些設(shè)備也有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和能源消耗的限制，"Frañó說，他與加州大學(xué)圣地亞哥分校前校長(zhǎng)、加州大學(xué)校長(zhǎng)和物理學(xué)家Robert Dynes一起擔(dān)任PNAS論文的作者之一。"神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的靈感來自于數(shù)以百萬計(jì)的神經(jīng)元、軸突和樹突的涌現(xiàn)過程，這些神經(jīng)元、軸突和樹突在一個(gè)極其復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)中連接在我們身體各處。"

作為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，F(xiàn)rañó和Dynes通常在實(shí)驗(yàn)室里忙于使用最先進(jìn)的儀器來探索新材料。但是隨著大流行病的發(fā)生，F(xiàn)rañó和他的同事們被迫與世隔絕，擔(dān)心他們?nèi)绾伪３盅芯康倪M(jìn)展。他們最終認(rèn)識(shí)到，他們可以從模擬量子材料的角度來推進(jìn)他們的科學(xué)。Frañó說。"我和我的合著者決定從更多的理論角度研究這個(gè)問題，所以我們坐下來，開始每周（基于Zoom的）會(huì)議。最終，這個(gè)想法發(fā)展并起飛了"。

研究人員的創(chuàng)新是基于連接兩種類型的量子物質(zhì)--基于氧化銅的超導(dǎo)材料和基于氧化鎳的金屬絕緣體過渡材料。他們創(chuàng)造了基本的"循環(huán)裝置"，可以用氦氣和氫氣在納米尺度上精確控制，反映了神經(jīng)元和突觸的連接方式。添加更多的這些設(shè)備后，再使其相互連接并交換信息，模擬顯示，最終它們將可以創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備陣列，顯示出像動(dòng)物的大腦一樣的突發(fā)特性。像大腦一樣，神經(jīng)形態(tài)設(shè)備被設(shè)計(jì)為加強(qiáng)比其他設(shè)備更重要的連接，類似于突觸比其他信息更重要的稱重方式。

"令人驚訝的是，當(dāng)你開始放入更多的循環(huán)時(shí)，會(huì)開始看到你沒有預(yù)期的行為，"Frañó說。"從這篇論文中，我們可以想象用6個(gè)、20個(gè)或100個(gè)這樣的設(shè)備來做這件事--然后它就會(huì)以指數(shù)形式變得豐富。最終的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)由這些設(shè)備組成的非常大而復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，它們將有能力學(xué)習(xí)和適應(yīng)。"現(xiàn)在，F(xiàn)rañó和他的同事們又回到了實(shí)驗(yàn)室，用真實(shí)世界的儀器測(cè)試PNAS論文中描述的理論模擬。

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