Est-il possible de programmer un objet sans structure?

Des chercheurs de l'Université de Twente à Enschede, aux Pays-Bas (Université de Twente, Enschede), ont demandé: un objet nanométrique sans forme peut-il être programmé pour effectuer des opérations mathématiques?
Un blob de nanoparticules d'or de 20 nm de diamètre placé sur 8 électrodes en or par diélectrophorèse a été choisi comme tel .


Les nanoparticules ont un diamètre de 20 nm et sont recouvertes de 1-octanethiol non conducteur (C ₈ H ₁₇ SH), ce qui crée un espace entre les nanoparticules adjacentes d'environ 1,8 nm. À des températures proches du zéro absolu, le transport électrique à travers un tel réseau de nanoparticules est entièrement déterminé par le blocage de Coulomb , et chaque nanoparticule agit comme un transistor à électron unique (SET). Dans ce travail, le système a fonctionné à une température de 0,3 K.
Ainsi, cette masse informe de nanoparticules a été placée sur 8 électrodes dirigées radialement, dont la distance était de 200 nm. De ces huit électrodes, 2 ont été sélectionnées au hasard comme entrées, une comme sortie, et les cinq restantes plus un substrat comme 6 portes de contrôle, auxquelles une tension constante a été appliquée.
Le premier objectif poursuivi par les chercheurs a été la mise en œuvre de l'opération logique I dans ce système. La force brute directe avec 6 portes prendrait un temps impressionnant (estimé à environ une journée). Et même une descente de gradient dans un tel espace à 6 dimensions serait inefficace en raison de la forte non-linéarité du système et de la présence d'un grand nombre de minima locaux.
Il a été décidé d'appliquer un algorithme génétiquepour trouver la configuration d'obturation souhaitée.


6 tensions de contrôle appliquées aux portes ont été considérées comme un «génome». Initialement, 20 génomes ont été générés au hasard. De plus, pour chacun des génomes, les signaux booléens 0-1-0-1 et 0-0-1-1 ont été appliqués aux entrées (P, Q) et le signal de sortie a été comparé à la fonction souhaitée (P · Q).

Ainsi, pour six contraintes constantes (génomes) appliquées aux portes, la «forme physique» a été déterminée. 20 génomes ont ensuite été triés en fonction de leur fitness, dont 5 avec les meilleurs indicateurs ont été sélectionnés. En utilisant ces 5 génomes parentaux, la première génération de gènes filles a été formée, utilisant le clonage (en d'autres termes, la copie directe), des mutations (petits changements de signal de ± 1%) et le croisement. Pour les 20 génomes filles obtenus, les mêmes étapes sont répétées: mesurer le signal de sortie, calculer la forme physique, trier, sélectionner le meilleur. En utilisant cet algorithme, les scientifiques ont pu programmer leur "appareil" informe pour effectuer des fonctions booléennes de deux variables, et sur le même échantillon.


Les propriétés suivantes ont été présentées séparément:
a) indépendance des états précédents: le gène trouvé pour la porte ET fonctionne correctement pour les signaux d'entrée aléatoires;
b) stabilité de la température: le génome reste opérationnel lorsque le système est chauffé jusqu'à 15K, suivi d'un refroidissement à des températures inférieures à 5K. Lorsqu'il est chauffé au-dessus de 15K, une reprogrammation est nécessaire;
c) stabilité dans le temps: après 100 heures, le dispositif programmé ne perd pas ses propriétés.


Dans ce travail, l'algorithme a convergé vers la fonction nécessaire en ~ 200 étapes, ce qui a pris environ 1 heure, car des signaux d'entrée relativement lents ont été utilisés. Cependant, les chercheurs pensent qu'il est possible d'accélérer le système de 100 à 1000 fois en l'optimisant. De plus, en utilisant des nanoparticules plus petites, pour lesquelles l'interaction Coulomb sera beaucoup plus importante, on peut s'attendre au fonctionnement d'un tel système à des températures sensiblement plus élevées jusqu'à la température ambiante.

Ainsi, l'application de l'algorithme génétique à l'échelle nanométrique permet de compenser les variations d'un appareil à l'autre et les incertitudes de performance, qui sont des satellites incontournables de la miniaturisation.

PS Merci à Tiberius pour l'inspiration.

Source: Bose, SKet al. Evolution d'un réseau de nanoparticules sans design en logique booléenne reconfigurable. Nat. Nanotechnol. 10 , 1048-1052 (2015). doi: 10.1038 / nnano.2015.207

Source: https://habr.com/ru/post/fr395395/