양자재료전시회 “Non

우리는 종종 컴퓨터가 인간보다 더 효율적이라고 믿습니다. 결국, 컴퓨터는 복잡한 수학 방정식을 순식간에 완성할 수 있고 우리가 계속 잊어버리는 배우의 이름도 기억할 수 있습니다. 그러나 인간의 두뇌는 복잡한 정보 계층을 빠르고 정확하게 처리할 수 있으며 거의 ​​에너지 입력 없이도 처리할 수 있습니다. 즉, 한 번만 본 후에 얼굴을 인식하거나 산과 바다의 차이를 즉시 알 수 있습니다. 이러한 간단한 인간 작업에는 컴퓨터의 엄청난 처리와 에너지 입력이 필요하며, 심지어는 다양한 정확도도 필요합니다.

최소한의 에너지만 필요로 하는 뇌와 같은 컴퓨터를 만들면 현대 생활의 거의 모든 측면에 혁명을 일으킬 것입니다. 에너지부로부터 자금을 지원받은 Q-MEEN-C(Quantum Materials for Energy Efficient Neuromorphic Computing)(캘리포니아 대학교 샌디에고 캠퍼스가 이끄는 전국 컨소시엄)가 이 연구의 최전선에 서 있었습니다.

UC San Diego 물리학과 조교수 Alex Frañó는 Q-MEEN-C의 공동 책임자이며 센터의 작업을 단계적으로 생각하고 있습니다. 첫 번째 단계에서 그는 캘리포니아 대학교 명예총장이자 물리학 교수인 Robert Dynes, Rutgers 공학 교수인 Shriram Ramanathan과 긴밀히 협력했습니다. 그들의 팀은 양자 물질에서 단일 뇌 요소(예: 뉴런 또는 시냅스)의 특성을 생성하거나 모방하는 방법을 찾는 데 성공했습니다.

이제 Nano Letters에 게재된 Q-MEEN-C의 새로운 연구 2단계에서는 인접 전극 사이를 통과하는 전기 자극이 인접하지 않은 전극에도 영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다. 비국소성(non-locality)으로 알려진 이 발견은 뉴로모픽 컴퓨팅(neuromorphic Computing)으로 알려진 뇌 기능을 모방하는 새로운 유형의 장치를 향한 여정에서 중요한 이정표입니다.

비국소성(non-locality)으로 알려진 인접 전극 사이에 전달되는 전기 자극은 인접하지 않은 전극에도 영향을 미칠 수 있습니다. (cr: 마리오 로하스 / UC 샌디에고)

논문의 공동 저자 중 한 명인 Frañó는 “뇌에서는 이러한 비국소적 상호 작용이 명목상이라는 것을 이해합니다. 이러한 비국소적 상호 작용은 최소한의 노력으로도 자주 발생합니다.”라고 말했습니다. "그것은 뇌가 작동하는 방식의 중요한 부분이지만 합성 물질에서 복제된 유사한 행동은 거의 없습니다."

현재 결실을 맺고 있는 많은 연구 프로젝트와 마찬가지로, 양자 재료의 비국소성이 가능한지 여부를 테스트하는 아이디어는 팬데믹 중에 나타났습니다. 실제 실험실 공간이 폐쇄되었기 때문에 팀은 뇌의 여러 뉴런과 시냅스를 모방하기 위해 여러 장치가 포함된 어레이에서 계산을 실행했습니다. 이러한 테스트를 실행하면서 그들은 비국소성이 이론적으로 가능하다는 것을 발견했습니다.

실험실이 다시 문을 열었을 때 그들은 이 아이디어를 더욱 개선하고 UC San Diego Jacobs 공과대학 부교수 Duygu Kuzum을 영입했습니다. Duygu Kuzum은 전기 및 컴퓨터 공학 분야에서 일하면서 시뮬레이션을 실제 장치로 전환하는 데 도움을 주었습니다.

여기에는 풍부한 전자 특성을 나타내는 "양자 재료" 세라믹인 니켈산염의 얇은 필름을 취하여 수소 이온을 삽입한 다음 그 위에 금속 전도체를 배치하는 작업이 포함되었습니다. 니켈산염에 전기 신호를 보낼 수 있도록 금속에 와이어를 부착합니다. 신호는 젤 같은 수소 원자를 특정 구성으로 이동하게 하며 신호가 제거되면 새로운 구성이 유지됩니다.

“이것이 본질적으로 기억의 모습입니다”라고 Frañó는 말했습니다. “장치는 당신이 자료를 교란했다는 것을 기억합니다. 이제 이온이 이동하는 위치를 미세 조정하여 전도성이 더 높고 전기가 더 쉽게 흐르는 경로를 만들 수 있습니다."

전통적으로 노트북과 같은 장치에 전원을 공급하기에 충분한 전기를 전송하는 네트워크를 만들려면 연속적인 연결 지점이 있는 복잡한 회로가 필요하며 이는 비효율적이고 비용이 많이 듭니다. Q-MEEN-C의 설계 개념은 훨씬 간단합니다. 실험의 비국소적 동작은 회로의 모든 전선이 서로 연결될 필요가 없다는 것을 의미하기 때문입니다. 한 부분의 움직임이 전체 웹에 걸쳐 느껴질 수 있는 거미줄을 생각해 보십시오.