Sztuczna synapsa protonowa milion razy szybsza od naturalnej. Nadchodzi przełom w komputerach kwantowych?

Sztuczna synapsa protonowa działa milion razy szybciej od ludzkiej. Jej kluczowym elementem jest analogowa konstrukcja, która przemieszcza protony zamiast elektronów. Może ona oznaczać prawdziwą rewolucję nie tylko w naszym rozumieniu działania mózgu, ale i budowie komputerów kwantowych.
Schemat sztucznej synapsy stworzonej przez MIT /Fot. MIT
Schemat sztucznej synapsy stworzonej przez MIT /Fot. MIT

Mózg człowieka to najpotężniejszy procesor na świecie. Zrozumienie jego działania może pozwolić na opracowanie wydajniejszych komputerów, które oszczędzają czas i energię, wykonując wiele operacji w tandemie. Właśnie taką zasadę wykorzystują sieci neuronowe, które jednak mają swoje własne ograniczenia. Dziedzina zwana analogowym uczeniem głębokim obiecuje szybsze obliczenia przy niewielkim zużyciu energii.

Sztuczna synapsa w analogowej wersji

Podstawowym elementem budulcowym analogowego uczenia głębokiego są programowalne rezystory (oporniki). Mogą one tworzyć sieć sztucznych neuronów i synaps, które wykonują obliczenia podobnie jak cyfrowa sieć neuronowa. Można ją wytrenować do realizacji różnych zadań – podobnie jak “klasyczną” SI.

Teraz zespół inżynierów z MIT wprowadził kilka ulepszeń do sprawdzonej formuły. Rezystory przewodzą protony, które z niewielką pomocą mogą poruszać się z zawrotną prędkością. Główną zmianą jest jednak stały elektrolit – szkło fosfokrzemowe (PSG), czyli dwutlenek krzemu z niewielką domieszką fosforu. Ten niezwykły materiał nieorganiczny ma wysoką przewodność protonową w temperaturze pokojowej, dzięki nanoporom, które blokują elektrony. Dzięki temu możliwe jest wykonywanie obliczeń milion razy szybszych niż w ludzkim mózgu. Szczegóły opisano w Science.

Prof. Bilge Yildiz z MIT mówi:

Mechanizm działania urządzenia polega na elektrochemicznym wprowadzeniu najmniejszego jonu – protonu – do izolującego tlenku, aby modulować jego przewodnictwo elektryczne. Ponieważ pracujemy z bardzo cienkimi urządzeniami, mogliśmy przyspieszyć ruch tego jonu za pomocą silnego pola elektrycznego i popchnąć te urządzenia jonowe do reżimu działania w nanosekundach.

Po przyłożeniu silnego pola elektrycznego o napięciu do 10 V protony przeskakują przez stos urządzeń z prędkością błyskawicy. Co ważne, rezystor nie psuje się w ciągu milionów cykli, co oznacza niesamowitą wręcz wydajność.

Czytaj też: Przełom: naukowcy odkrywają fizyczną stronę pamięci. Czy ślad pamięciowy to pęcherzyki na synapsach?

Prof. Ju Li z MIT dodaje:

Potencjał czynnościowy w komórkach biologicznych wzrasta i opada w skali czasowej milisekund, ponieważ różnica napięcia wynosząca około 0,1 V jest ograniczona przez stabilność wody. Tutaj stosujemy do 10 V przez specjalną stałą szklaną warstwę, która przewodzi protony, bez jej trwałego uszkodzenia. A im silniejsze pole, tym szybsze urządzenia jonowe.

Naukowcy planują ulepszyć projekt, aby móc produkować rezystory w większych ilościach, co może doprowadzić do opracowania znacznie szybszych komputerów.