Apakah mungkin untuk memprogram objek tanpa struktur?

Para peneliti dari University of Twente di Enschede, Belanda (University of Twente, Enschede), bertanya: dapatkah benda berskala nano tak terprogram diprogram untuk melakukan operasi matematika?
Gumpalan nanopartikel emas berdiameter 20 nm ditempatkan pada 8 elektroda emas dengan dielektroforesis dipilih sebagai objek seperti itu .


Nanopartikel memiliki diameter 20 nm dan dilapisi dengan 1-oktanetanol non-konduktif (C ₈ H ₁₇ SH), yang menciptakan celah antara nanopartikel yang berdekatan sekitar 1,8 nm. Pada suhu mendekati nol mutlak, transportasi listrik melalui jaringan partikel nano seperti itu sepenuhnya ditentukan oleh blokade Coulomb , dan masing-masing partikel nano bertindak sebagai transistor elektron tunggal (SET). Dalam pekerjaan ini, sistem dioperasikan pada suhu 0,3 K.
Jadi, massa nanopartikel tak berbentuk ini ditempatkan pada 8 elektroda yang diarahkan secara radial, jaraknya adalah 200 nm. Dari delapan elektroda ini, 2 dipilih secara acak sebagai input, satu sebagai output, dan lima lainnya ditambah substrat sebagai 6 gerbang kontrol, yang digunakan tegangan konstan.
Sasaran pertama yang dikejar para peneliti adalah implementasi operasi logis I. dalam sistem ini. Bruteforce langsung dengan 6 gerbang akan memakan waktu yang mengesankan (diperkirakan sekitar satu hari). Dan bahkan penurunan gradien dalam ruang 6 dimensi seperti itu tidak akan efektif karena nonlinieritas yang kuat dari sistem dan keberadaan sejumlah besar minimum lokal.
Diputuskan untuk menerapkan algoritma genetikauntuk menemukan konfigurasi rana yang diinginkan.


6 tegangan kontrol yang diterapkan ke gerbang dianggap sebagai "genom". Awalnya, 20 genom dihasilkan secara acak. Selanjutnya, untuk masing-masing genom, sinyal Boolean 0-1-0-1 dan 0-0-1-1 diterapkan pada input (P, Q), dan sinyal output dibandingkan dengan fungsi yang diinginkan (P · Q).

Jadi, untuk setiap enam tekanan konstan (genom) yang diterapkan ke gerbang, "kebugaran" ditentukan. 20 genom kemudian disortir berdasarkan kebugarannya, 5 di antaranya dengan indikator terbaik dipilih. Dengan menggunakan 5 genom parental ini, generasi pertama gen anak terbentuk, menggunakan kloning (dengan kata lain, penyalinan langsung), mutasi (perubahan sinyal kecil ± 1%) dan kawin silang. Untuk 20 genom anak yang diperoleh, langkah-langkah yang sama diulang: mengukur sinyal keluaran, menghitung kebugaran, menyortir, memilih yang terbaik. Dengan menggunakan algoritma ini, para ilmuwan dapat memprogram "perangkat" tak berbentuk mereka untuk melakukan fungsi Boolean dari dua variabel, dan pada sampel yang sama.


Properti berikut ditampilkan secara terpisah:
a) independen dari keadaan sebelumnya: gen yang ditemukan untuk gerbang AND bekerja dengan benar untuk sinyal input acak;
b) stabilitas suhu: genom tetap beroperasi ketika sistem dipanaskan hingga 15K, diikuti oleh pendinginan hingga suhu di bawah 5K. Ketika dipanaskan di atas 15K, pemrograman ulang diperlukan;
c) stabilitas dari waktu ke waktu: setelah 100 jam, perangkat yang diprogram tidak kehilangan sifat-sifatnya.


Dalam karya ini, algoritma konvergen ke fungsi yang diperlukan dalam ~ 200 langkah, yang memakan waktu sekitar 1 jam, karena sinyal input yang relatif lambat digunakan. Namun, para peneliti percaya bahwa adalah mungkin untuk mempercepat sistem dengan 100-1000 kali dengan mengoptimalkannya. Selain itu, dengan menggunakan nanopartikel yang lebih kecil, yang mana interaksi Coulomb akan jauh lebih signifikan, kita dapat mengharapkan pengoperasian sistem seperti itu pada suhu yang lebih tinggi hingga suhu kamar.

Dengan demikian, penerapan algoritma genetika pada skala nano memungkinkan kita untuk mengkompensasi variasi dari perangkat ke perangkat dan ketidakpastian dalam kinerja, yang merupakan satelit miniaturisasi yang tidak terhindarkan.

PS Terima kasih kepada Tiberius untuk ilhamnya.

Sumber: Bose, SKet al. Evolusi jaringan nanopartikel tanpa desain menjadi logika Boolean yang dapat dikonfigurasi ulang. Nat. Nanoteknol. 10 , 1048-1052 (2015). doi: 10.1038 / nnano.2015.207

Source: https://habr.com/ru/post/id395395/