La productivité scientifique révolutionnaire d'Isaac Newton alors qu'il est isolé de la propagation de la peste bubonique est légendaire. Les physiciens de l'Université de Californie à San Diego peuvent désormais revendiquer une participation dans les annales de la science axée sur les pandémies.

Une équipe de chercheurs de l'UC San Diego et de collègues de l'Université Purdue a maintenant simulé la fondation de nouveaux types de dispositifs informatiques d'intelligence artificielle qui imitent les fonctions cérébrales, une réalisation qui a résulté du verrouillage de la pandémie de COVID-19. En combinant de nouveaux matériaux de supercalcul avec des oxydes spécialisés, les chercheurs ont réussi à démontrer l'épine dorsale des réseaux de circuits et de dispositifs qui reflètent la connectivité des neurones et des synapses dans les réseaux de neurones à base biologique.

Les simulations sont décrites dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

Alors que les demandes de bande passante des ordinateurs et autres appareils d'aujourd'hui atteignent leur limite technologique, les scientifiques travaillent vers un avenir dans lequel de nouveaux matériaux peuvent être orchestrés pour imiter la vitesse et la précision des systèmes nerveux de type animal. Calcul neuromorphique basé sur les matériaux quantiques, qui affichent des propriétés basées sur la mécanique quantique, permettre aux scientifiques de dépasser les limites des matériaux semi-conducteurs traditionnels. Cette polyvalence avancée ouvre la porte à des appareils de nouvelle génération qui sont beaucoup plus flexibles et nécessitent moins d'énergie que les appareils d'aujourd'hui. Certains de ces efforts sont dirigés par le professeur adjoint du département de physique Alex Frañó et d'autres chercheurs de l'UC San Diego's Quantum Materials for Energy Efficient Neuromorphic Computing (Q-MEEN-C), un centre de recherche Energy Frontier financé par le ministère de l'Énergie.

« Au cours des 50 dernières années, nous avons vu des réalisations technologiques incroyables qui ont abouti à des ordinateurs de plus en plus petits et plus rapides, mais même ces appareils ont des limites pour le stockage de données et la consommation d'énergie, " dit Franó, qui a été l'un des auteurs de l'article du PNAS, avec l'ancien chancelier de l'UC San Diego, Président de l'UC et physicien Robert Dynes. "L'informatique neuromorphique s'inspire des processus émergents de millions de neurones, des axones et des dendrites qui sont connectés dans tout notre corps dans un système nerveux extrêmement complexe."

En tant que physiciens expérimentateurs, Frañó et Dynes sont généralement occupés dans leurs laboratoires à utiliser des instruments de pointe pour explorer de nouveaux matériaux. Mais avec le début de la pandémie, Frañó et ses collègues ont été contraints à l'isolement avec des inquiétudes quant à la manière dont ils continueraient à faire avancer leurs recherches. Ils ont finalement réalisé qu'ils pouvaient faire progresser leur science du point de vue des simulations de matériaux quantiques.

"C'est un journal pandémique, " a déclaré Frañó. "Mes co-auteurs et moi avons décidé d'étudier cette question d'un point de vue plus théorique. Nous nous sommes donc assis et avons commencé à avoir des réunions hebdomadaires (basées sur Zoom). Finalement, l'idée s'est développée et a décollé."

L'innovation des chercheurs reposait sur l'association de deux types de substances quantiques :des matériaux supraconducteurs à base d'oxyde de cuivre et des matériaux de transition isolants métalliques à base d'oxyde de nickel. Ils ont créé des « dispositifs en boucle » de base qui pourraient être contrôlés avec précision à l'échelle nanométrique avec de l'hélium et de l'hydrogène, reflétant la façon dont les neurones et les synapses sont connectés. Ajouter plus de ces appareils qui relient et échangent des informations entre eux, les simulations ont montré qu'elles permettraient finalement la création d'un ensemble d'appareils en réseau qui affichent des propriétés émergentes comme le cerveau d'un animal.

Comme le cerveau, les dispositifs neuromorphiques sont conçus pour améliorer les connexions qui sont plus importantes que d'autres, similaire à la façon dont les synapses pèsent des messages plus importants que d'autres.

« C'est surprenant que lorsque vous commencez à faire plus de boucles, vous commencez à voir un comportement auquel vous ne vous attendiez pas, " a déclaré Frañó. " A partir de ce papier, nous pouvons imaginer faire cela avec six, 20 ou une centaine de ces appareils, puis ça devient exponentiellement riche à partir de là. En fin de compte, l'objectif est de créer un réseau très vaste et complexe de ces appareils qui auront la capacité d'apprendre et de s'adapter."

Avec des restrictions pandémiques assouplies, Frañó et ses collègues sont de retour au laboratoire, tester les simulations théoriques décrites dans l'article du PNAS avec des instruments du monde réel.