Un materiale intelligente che apprende modificandosi fisicamente, simile a come funziona il cervello umano, potrebbe essere il fondamento di una generazione completamente nuova di computer. I fisici di Radboud che lavorano verso questo cosiddetto "cervello quantico" hanno fatto un passo importante. Hanno dimostrato di poter modellare e interconnettere una rete di singoli atomi, e imitare il comportamento autonomo di neuroni e sinapsi in un cervello. Segnalano la loro scoperta in Nanotecnologia della natura il 1 febbraio.

Considerando la crescente domanda globale di capacità di calcolo, sono necessari sempre più data center, tutto ciò lascia un'impronta energetica in continua espansione. "È chiaro che dobbiamo trovare nuove strategie per archiviare ed elaborare le informazioni in modo efficiente dal punto di vista energetico, " afferma il capo progetto Alexander Khajetoorians, professore di microscopia a scansione di sonda alla Radboud University.

"Ciò richiede non solo miglioramenti alla tecnologia, ma anche ricerca fondamentale in approcci rivoluzionari. La nostra nuova idea di costruire un "cervello quantistico" basato sulle proprietà quantistiche dei materiali potrebbe essere la base per una soluzione futura per le applicazioni nell'intelligenza artificiale".

Cervello quantistico

Perché l'intelligenza artificiale funzioni, un computer deve essere in grado di riconoscere schemi nel mondo e impararne di nuovi. I computer di oggi lo fanno tramite un software di apprendimento automatico che controlla l'archiviazione e l'elaborazione delle informazioni su un disco rigido separato del computer. "Fino ad ora, questa tecnologia, che si basa su un paradigma secolare, funzionato a sufficienza. Però, alla fine, è un processo molto inefficiente dal punto di vista energetico, " dice il co-autore Bert Kappen, Professore di Reti neurali e intelligenza artificiale.

I fisici della Radboud University hanno studiato se un pezzo di hardware potesse fare lo stesso, senza bisogno di software. Hanno scoperto che costruendo una rete di atomi di cobalto sul fosforo nero sono stati in grado di costruire un materiale che immagazzina ed elabora le informazioni in modo simile al cervello, e, ancora più sorprendentemente, si adatta.

Atomi autoadattanti

Nel 2018, Khajetooriani e collaboratori hanno dimostrato che è possibile memorizzare informazioni nello stato di un singolo atomo di cobalto. Applicando una tensione all'atomo, potrebbero indurre "sparare, " dove l'atomo si sposta tra un valore di 0 e 1 in modo casuale, molto simile a un neurone. Ora hanno scoperto un modo per creare insiemi su misura di questi atomi, e ha scoperto che il comportamento di accensione di questi insiemi imita il comportamento di un modello simile al cervello utilizzato nell'intelligenza artificiale.

Oltre a osservare il comportamento dei neuroni di picco, sono stati in grado di creare la più piccola sinapsi conosciuta fino ad oggi. Inconsapevolmente, hanno osservato che questi insiemi avevano una proprietà adattiva intrinseca:le loro sinapsi cambiavano il loro comportamento a seconda dell'input che "vedevano". "Quando si stimola il materiale per un periodo di tempo più lungo con una certa tensione, siamo rimasti molto sorpresi nel vedere che le sinapsi sono effettivamente cambiate. Il materiale ha adattato la sua reazione in base agli stimoli esterni che ha ricevuto. Ha imparato da solo, " dice Khajetoorians.

Esplorare e sviluppare il cervello quantistico

I ricercatori ora intendono ampliare il sistema e costruire una rete più ampia di atomi, così come immergersi in nuovi materiali "quantistici" che possono essere utilizzati. Anche, hanno bisogno di capire perché la rete atomica si comporta così. "Siamo in uno stato in cui possiamo iniziare a mettere in relazione la fisica fondamentale con i concetti della biologia, come la memoria e l'apprendimento, " dice Khajetoorians.

"Se potessimo costruire una vera macchina con questo materiale, saremmo in grado di costruire dispositivi informatici ad autoapprendimento che sono più efficienti dal punto di vista energetico e più piccoli dei computer di oggi. Ancora, solo quando capiremo come funziona, e questo è ancora un mistero, saremo in grado di sintonizzare il suo comportamento e iniziare a svilupparlo in una tecnologia. È un momento molto emozionante".