Expositions de matériaux quantiques « Non

Nous pensons souvent que les ordinateurs sont plus efficaces que les humains. Après tout, les ordinateurs peuvent compléter une équation mathématique complexe en un instant et peuvent également rappeler le nom de cet acteur que nous oublions sans cesse. Cependant, le cerveau humain peut traiter des couches d’informations complexes rapidement, avec précision et avec presque aucun apport d’énergie : reconnaître un visage après l’avoir vu une seule fois ou connaître instantanément la différence entre une montagne et l’océan. Ces tâches humaines simples nécessitent un énorme apport de traitement et d’énergie de la part des ordinateurs, et même dans ce cas, avec des degrés de précision variables.

Créer des ordinateurs de type cerveau avec des besoins énergétiques minimes révolutionnerait presque tous les aspects de la vie moderne. Financé par le Département de l’Énergie, Quantum Materials for Energy Efficient Neuromorphic Computing (Q-MEEN-C) – un consortium national dirigé par l’Université de Californie à San Diego – a été à l’avant-garde de cette recherche.

Alex Frañó, professeur adjoint de physique à l'UC San Diego, est codirecteur du Q-MEEN-C et envisage le travail du centre par phases. Au cours de la première phase, il a travaillé en étroite collaboration avec le président émérite de l’Université de Californie et professeur de physique Robert Dynes, ainsi qu’avec le professeur d’ingénierie Rutgers Shriram Ramanathan. Ensemble, leurs équipes ont réussi à trouver des moyens de créer ou d'imiter les propriétés d'un seul élément cérébral (comme un neurone ou une synapse) dans un matériau quantique.

Aujourd’hui, dans la phase deux, une nouvelle recherche de Q-MEEN-C, publiée dans Nano Letters, montre que les stimuli électriques transmis entre électrodes voisines peuvent également affecter des électrodes non voisines. Connue sous le nom de non-localité, cette découverte constitue une étape cruciale dans le parcours vers de nouveaux types de dispositifs imitant les fonctions cérébrales, connus sous le nom d’informatique neuromorphique.

Connus sous le nom de non-localité, les stimuli électriques transmis entre électrodes voisines peuvent également affecter des électrodes non voisines. (cr: Mario Rojas / UC San Diego)

"Dans le cerveau, il est entendu que ces interactions non locales sont nominales : elles se produisent fréquemment et avec un minimum d'effort", a déclaré Frañó, l'un des co-auteurs de l'article. "C'est un élément crucial du fonctionnement du cerveau, mais les comportements similaires reproduits dans les matériaux synthétiques sont rares."

Comme de nombreux projets de recherche qui portent aujourd’hui leurs fruits, l’idée de tester si la non-localité dans les matériaux quantiques était possible est née pendant la pandémie. Les espaces physiques du laboratoire ont été fermés, de sorte que l'équipe a effectué des calculs sur des réseaux contenant plusieurs dispositifs pour imiter les multiples neurones et synapses du cerveau. En effectuant ces tests, ils ont découvert que la non-localité était théoriquement possible.

Lorsque les laboratoires ont rouvert, ils ont affiné cette idée et ont enrôlé le professeur agrégé de la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego, Duygu Kuzum, dont les travaux en génie électrique et informatique les ont aidés à transformer une simulation en un véritable appareil.

Cela impliquait de prendre un mince film de nickelate – un « matériau quantique » céramique qui présente de riches propriétés électroniques – d’insérer des ions hydrogène, puis de placer un conducteur métallique dessus. Un fil est attaché au métal afin qu'un signal électrique puisse être envoyé au nickelate. Le signal amène les atomes d'hydrogène en forme de gel à se déplacer dans une certaine configuration et lorsque le signal est supprimé, la nouvelle configuration demeure.

"C'est essentiellement à cela que ressemble un souvenir", a déclaré Frañó. « L'appareil se souvient que vous avez perturbé le matériau. Vous pouvez désormais affiner l’endroit où vont ces ions pour créer des voies plus conductrices et plus faciles à traverser pour l’électricité.

Traditionnellement, la création de réseaux transportant suffisamment d’électricité pour alimenter quelque chose comme un ordinateur portable nécessite des circuits complexes avec des points de connexion continus, ce qui est à la fois inefficace et coûteux. Le concept de conception de Q-MEEN-C est beaucoup plus simple car le comportement non local dans l'expérience signifie que tous les fils d'un circuit n'ont pas besoin d'être connectés les uns aux autres. Pensez à une toile d’araignée, où le mouvement d’une partie peut être ressenti sur l’ensemble de la toile.