¿Es posible programar un objeto sin estructura?

Investigadores de la Universidad de Twente en Enschede, Países Bajos (Universidad de Twente, Enschede), preguntaron: ¿se puede programar un objeto a nanoescala sin forma para realizar operaciones matemáticas?
Se eligió una gota de nanopartículas de oro de 20 nm de diámetro colocadas en 8 electrodos de oro por dielectroforesis como tal objeto .


Las nanopartículas tienen un diámetro de 20 nm y están recubiertas con 1-octanetiol no conductor (C ₈ H ₁₇ SH), que crea un espacio entre las nanopartículas adyacentes de aproximadamente 1,8 nm. A temperaturas cercanas al cero absoluto, el transporte eléctrico a través de dicha red de nanopartículas está completamente determinado por el bloqueo de Coulomb , y cada nanopartícula actúa como un transistor de un solo electrón (SET). En este trabajo, el sistema funcionaba a una temperatura de 0.3 K.
Entonces, esta masa sin forma de nanopartículas se colocó en 8 electrodos dirigidos radialmente, cuya distancia era de 200 nm. De estos ocho electrodos, 2 se seleccionaron aleatoriamente como entradas, uno como salida y los cinco restantes más un sustrato como 6 puertas de control, a las que se aplicó un voltaje constante.
El primer objetivo que persiguieron los investigadores fue la implementación de la operación lógica I. en este sistema. La fuerza bruta directa con 6 puertas tomaría una cantidad impresionante de tiempo (se estima que es aproximadamente un día). E incluso el descenso de gradiente en un espacio de 6 dimensiones de este tipo sería ineficaz debido a la fuerte no linealidad del sistema y la presencia de una gran cantidad de mínimos locales.
Se decidió aplicar un algoritmo genético.para encontrar la configuración de obturador deseada.


6 tensiones de control aplicadas a las puertas se consideraron como un "genoma". Inicialmente, se generaron 20 genomas al azar. Además, para cada uno de los genomas, se aplicaron señales booleanas 0-1-0-1 y 0-0-1-1 a las entradas (P, Q), y la señal de salida se comparó con la función deseada (P · Q).

Por lo tanto, por cada seis tensiones constantes (genomas) aplicadas a las puertas, se determinó la "aptitud". Luego se clasificaron 20 genomas según su estado físico, de los cuales se seleccionaron 5 con los mejores indicadores. Usando estos 5 genomas parentales, se formó la primera generación de genes hijos, usando clonación (en otras palabras, copia directa), mutaciones (pequeños cambios de señal de ± 1%) y cruzamiento. Para los 20 genomas hijos obtenidos, se repiten los mismos pasos: medir la señal de salida, calcular el estado físico, clasificar y seleccionar el mejor. Usando este algoritmo, los científicos pudieron programar su "dispositivo" sin forma para realizar funciones booleanas de dos variables y en la misma muestra.


Las siguientes propiedades se muestran por separado:
a) independencia de los estados anteriores: el gen encontrado para la compuerta AND funciona correctamente para señales de entrada aleatorias;
b) estabilidad de la temperatura: el genoma permanece operativo cuando el sistema se calienta hasta 15 K, seguido de enfriamiento a temperaturas inferiores a 5 K. Cuando se calienta por encima de 15K, se requiere reprogramación;
c) estabilidad en el tiempo: después de 100 horas, el dispositivo programado no pierde sus propiedades.


En este trabajo, el algoritmo convergió a la función necesaria en ~ 200 pasos, lo que tomó aproximadamente 1 hora, ya que se utilizaron señales de entrada relativamente lentas. Sin embargo, los investigadores creen que es posible acelerar el sistema entre 100 y 1000 veces al optimizarlo. Además, al usar nanopartículas más pequeñas, para las cuales la interacción de Coulomb será mucho más significativa, podemos esperar la operación de dicho sistema a temperaturas notablemente más altas hasta la temperatura ambiente.

Por lo tanto, la aplicación del algoritmo genético a nanoescala nos permite compensar las variaciones de un dispositivo a otro y las incertidumbres en el rendimiento, que son satélites inevitables de miniaturización.

PD: Gracias a Tiberius por la inspiración.

Fuente: Bose, SKet al. Evolución de una red de nanopartículas sin diseño en lógica booleana reconfigurable. Nat. Nanotecnol 10 , 1048-1052 (2015). doi: 10.1038 / nnano.2015.207

Source: https://habr.com/ru/post/es395395/