Ist es möglich, ein strukturloses Objekt zu programmieren?

Forscher der Universität Twente in Enschede, Niederlande (Universität Twente, Enschede), fragten: Kann ein formloses nanoskaliges Objekt für mathematische Operationen programmiert werden?
Als solches Objekt wurde ein Klumpen Goldnanopartikel mit einem Durchmesser von 20 nm ausgewählt, der durch Dielektrophorese auf 8 Goldelektroden platziert wurde .


Nanopartikel haben einen Durchmesser von 20 nm und sind mit nichtleitendem 1-Octanthiol (C ₈ H ₁₇ SH) beschichtet , wodurch eine Lücke zwischen benachbarten Nanopartikeln von etwa 1,8 nm entsteht. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt wird der elektrische Transport durch ein solches Netzwerk von Nanopartikeln vollständig durch die Coulomb-Blockade bestimmt , und jedes Nanopartikel wirkt als Einzelelektronentransistor (SET). In dieser Arbeit wurde das System bei einer Temperatur von 0,3 K betrieben.
Diese formlose Masse von Nanopartikeln wurde also auf 8 radial gerichteten Elektroden platziert, deren Abstand 200 nm betrug. Von diesen acht Elektroden wurden 2 zufällig als Eingänge ausgewählt, eine als Ausgang und die verbleibenden fünf plus Substrate als 6 Steuergatter, an die eine konstante Spannung angelegt wurde.
Das erste Ziel, das die Forscher verfolgten, war die Implementierung der logischen I-Operation in diesem System. Direkte Bruteforce mit 6 Toren würde beeindruckend viel Zeit in Anspruch nehmen (geschätzt auf etwa einen Tag). Und selbst ein Gradientenabstieg in einem solchen 6-dimensionalen Raum wäre aufgrund der starken Nichtlinearität des Systems und des Vorhandenseins einer großen Anzahl lokaler Minima unwirksam.
Es wurde beschlossen, einen genetischen Algorithmus anzuwendenum die gewünschte Verschlusskonfiguration zu finden.


6 an die Gates angelegte Steuerspannungen wurden als „Genom“ angesehen. Anfangs wurden 20 Genome zufällig erzeugt. Ferner wurden für jedes der Genome die Booleschen Signale 0-1-0-1 und 0-0-1-1 an die Eingänge (P, Q) angelegt und das Ausgangssignal mit der gewünschten Funktion (P · Q) verglichen.

Somit wurde für jeweils sechs konstante Belastungen (Genome), die auf die Tore ausgeübt wurden, die "Fitness" bestimmt. Anschließend wurden 20 Genome nach ihrer Fitness sortiert, von denen 5 mit den besten Indikatoren ausgewählt wurden. Unter Verwendung dieser 5 Elterngenome wurde die erste Generation von Tochtergenen unter Verwendung von Klonierung (mit anderen Worten direktem Kopieren), Mutationen (kleine Signaländerungen von ± 1%) und Kreuzung gebildet. Für die erhaltenen 20 Tochtergenome werden die gleichen Schritte wiederholt: Messen des Ausgangssignals, Berechnen der Fitness, Sortieren, Auswählen des besten. Mit diesem Algorithmus konnten Wissenschaftler ihr formloses "Gerät" so programmieren, dass es Boolesche Funktionen von zwei Variablen und an derselben Probe ausführt.


Die folgenden Eigenschaften wurden separat gezeigt:
a) Unabhängigkeit von früheren Zuständen: Das für das UND-Gatter gefundene Gen funktioniert für zufällige Eingangssignale korrekt;
b) Temperaturstabilität: Das Genom bleibt betriebsbereit, wenn das System auf 15 K erhitzt und anschließend auf Temperaturen unter 5 K abgekühlt wird. Bei Erwärmung über 15 K ist eine Neuprogrammierung erforderlich.
c) Stabilität über die Zeit: Nach 100 Stunden verliert das programmierte Gerät seine Eigenschaften nicht.


In dieser Arbeit konvergierte der Algorithmus in ~ 200 Schritten zur notwendigen Funktion, was ungefähr 1 Stunde dauerte, da relativ langsame Eingangssignale verwendet wurden. Die Forscher glauben jedoch, dass es möglich ist, das System durch Optimierung um das 100-1000-fache zu beschleunigen. Darüber hinaus können wir bei Verwendung kleinerer Nanopartikel, für die die Coulomb-Wechselwirkung viel bedeutender sein wird, den Betrieb eines solchen Systems bei signifikant höheren Temperaturen bis zu Raumtemperatur erwarten.

Die Anwendung des genetischen Algorithmus im Nanobereich ermöglicht es uns daher, Schwankungen von Gerät zu Gerät und Leistungsunsicherheiten zu kompensieren, die unvermeidliche Satelliten der Miniaturisierung sind.

PS Danke an Tiberius für die Inspiration.

Quelle: Bose, SKet al. Entwicklung eines designlosen Nanopartikelnetzwerks zur rekonfigurierbaren Booleschen Logik. Nat. Nanotechnol. 10 , 1048 & ndash; 1052 (2015). doi: 10.1038 / nnano.2015.207

Source: https://habr.com/ru/post/de395395/