Создано устройство, имитирующее одновременно зрение, память и нейроморфологию

Легенда гласит, что Святое семейство на своем пути в Египет питалось в пустыне фигами, или смоквами-сикиморами (более известными у нас как инжир с его многочисленными зернышками). Неудивительно, что один из первых квантовых чипов с 52 кубитами, созданный в Калифорнийском университете Санта-Барбары, получил название Sycamore. Их конкуренты с противоположного побережья через год пообещали построить первый квантовый компьютер с 1000 кубитов уже в 2023 году.

Квантовый компьютер, мечта нескольких поколений ученых и практиков, не может быть пока построен по причине некорректности поведения его составляющих, то есть квантовых электронных компонентов, обеспечивающих контакты квантовых точек (QPC – Quantum Point Contacts). Все дело в допинге, который в электронике используется в самом хорошем смысле и представляет собой добавку к кремнию. Например, фосфора, известного химикам тем, что довольно легко отдает свои электроны, то есть окисляется.

Этим фосфор «роднит» электронную химию с биохимией, оперирующей таким соединением, как аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) – основной энергоноситель в живой клетке. Концевой фосфат молекулы АТФ также отдает свои электроны, в результате обретает небольшой положительный заряд, что приводит к расщеплению АТФ и высвобождению необходимой для клеточных нужд энергии.

В свое время академик и нобелевский лауреат Жорес Алферов предложил «допинговать» кремний, получив при этом так называемые гетероструктуры. Они обеспечили мощный рывок электроники, за что Алферов и был удостоен Нобелевской премии. Но переход от микро- к наноэлектронике показал, что случайный допинг придает гетероструктурам свойства «толпы». А для квантовых компьютеров и спинтроники требуется когерентность, то есть согласованность. Яркий пример использования когерентности – магниторезонансная томография (МРТ), при которой мощный магнитный импульс выстраивает спины протонов водорода в строгом порядке. После этого они обретают хаотическое направление, испуская при этом радиосигналы. С их помощью и строится изображение.

Кардинальное решение проблемы предложено в Австралии сотрудниками университета Нового Южного Уэльса, которые со своими коллегами из университетов Шеффилда и Кембриджа отказались от допинга. В результате удалось повысить мобильность зарядов и воспроизведение свойств QPC в три раза. В их свободном от примесей устройстве QPC представляет собой узкий 1D-канал между двумя 2D-резервуарами.

Два луча с разной длиной волны, возбуждающие и стирающие память в слое черного фосфора.  Фото Phsyorg

Лишь более полувека спустя молекулярные биологи пришли к выводу, что для возбуждения зрительных клеток – палочек и колбочек – достаточно одного фотона! Можно добавить, что зрение устроено довольно сложно, поскольку сетчатка представлена несколькими слоями нервных клеток, лишь один из которых (палочки и колбочки) чувствителен к свету.

В университете RMIT Мельбурна решили использовать известное изменение сопротивления черного фосфора при падении на его поверхность света с длиной волны 280 и 365 нанометров (нм). Происходит это в результате окислительно-восстановительного процесса в фосфоре. Ответ на фотоны возникает у ВР в результате возникновения в его 2D-слое дефектов окисления. Это проявляется как память, которая стирается при действии света с другой длиной волны. Тем самым австралийцы получили зрительную память с нейроморфной обработкой сигнала. Этот эффект можно использовать в компактных устройствах машинного обучения и искусственного интеллекта.

Новый подход найдет самое широкое применение, например, в дронах и антропоморфной робототехнике, которая сможет напрямую общаться с человеком, а также в разного рода бионических имплантах, включая сетчатки для слепых. Сегодня искусственный интеллект и дроны требуется заранее программировать. Их системы и не могут действовать без «наведения» человеком. Предложенный в Мельбурне сверхтонкий ВР-чип не только резко сокращает размеры различных устройств, но также и делает их автономными и самообучающимися.