É possível programar um objeto sem estrutura?

Pesquisadores da Universidade de Twente, em Enschede, na Holanda (Universidade de Twente, Enschede), perguntaram: um objeto em nanoescala sem forma pode ser programado para realizar operações matemáticas?
Uma gota de nanopartículas de ouro de 20 nm de diâmetro colocadas em 8 eletrodos de ouro por dieletroforese foi escolhida como tal objeto .


As nanopartículas têm um diâmetro de 20 nm e são revestidas com 1-octanotiol não condutor (C ₈ H ₁₇ SH), o que cria uma lacuna entre as nanopartículas adjacentes de cerca de 1,8 nm. Em temperaturas próximas ao zero absoluto, o transporte elétrico através dessa rede de nanopartículas é completamente determinado pelo bloqueio de Coulomb , e cada nanopartícula atua como um transistor de elétron simples (SET). Neste trabalho, o sistema operou a uma temperatura de 0,3 K.
Portanto, essa massa informe de nanopartículas foi colocada em 8 eletrodos radialmente direcionados, cuja distância foi de 200 nm. Desses oito eletrodos, 2 foram selecionados aleatoriamente como entradas, um como saída e os cinco restantes mais um substrato como 6 portas de controle, às quais uma tensão constante foi aplicada.
O primeiro objetivo que os pesquisadores perseguiram foi a implementação da operação lógica I. Neste sistema, a força bruta direta com 6 portas levaria uma quantidade impressionante de tempo (estimada em cerca de um dia). E mesmo a descida do gradiente em um espaço tridimensional seria ineficaz devido à forte não linearidade do sistema e à presença de um grande número de mínimos locais.
Decidiu-se aplicar um algoritmo genéticopara encontrar a configuração desejada do obturador.


6 tensões de controle aplicadas aos portões foram consideradas como um "genoma". Inicialmente, 20 genomas foram gerados aleatoriamente. Além disso, para cada um dos genomas, os sinais booleanos 0-1-0-1 e 0-0-1-1 foram aplicados às entradas (P, Q), e o sinal de saída foi comparado com a função desejada (P · Q).

Assim, para cada seis tensões constantes (genomas) aplicadas aos portões, a “aptidão” era determinada. 20 genomas foram então classificados de acordo com sua aptidão, dos quais 5 com os melhores indicadores foram selecionados. Usando esses 5 genomas parentais, foi formada a primeira geração de genes filhas, usando clonagem (em outras palavras, cópia direta), mutações (pequenas alterações de sinal de ± 1%) e cruzamento. Para os 20 genomas filhas obtidos, as mesmas etapas são repetidas: medindo o sinal de saída, calculando a adequação, classificando e selecionando o melhor. Usando esse algoritmo, os cientistas foram capazes de programar seu “dispositivo” disforme para executar funções booleanas de duas variáveis ​​e na mesma amostra.


As seguintes propriedades foram mostradas separadamente:
a) independência dos estados anteriores: o gene encontrado para a porta AND funciona corretamente para sinais de entrada aleatórios;
b) estabilidade da temperatura: o genoma permanece operacional quando o sistema é aquecido até 15K, seguido de resfriamento a temperaturas abaixo de 5K. Quando aquecido acima de 15K, é necessária reprogramação;
c) estabilidade ao longo do tempo: após 100 horas, o dispositivo programado não perde suas propriedades.


Neste trabalho, o algoritmo convergiu para a função necessária em ~ 200 etapas, o que levou cerca de 1 hora, pois foram utilizados sinais de entrada relativamente lentos. No entanto, os pesquisadores acreditam que é possível acelerar o sistema em 100-1000 vezes, otimizando-o. Além disso, usando nanopartículas menores, para as quais a interação Coulomb será muito mais significativa, podemos esperar a operação de um sistema desse tipo em temperaturas visivelmente mais altas até a temperatura ambiente.

Assim, a aplicação do algoritmo genético em nanoescala nos permite compensar variações de dispositivo para dispositivo e incertezas no desempenho, que são inevitáveis ​​satélites de miniaturização.

PS: Obrigado a Tibério pela inspiração.

Fonte: Bose, SKet al. Evolução de uma rede de nanopartículas sem design na lógica booleana reconfigurável. Nat. Nanotechnol. 10 , 1048-1052 (2015). doi: 10.1038 / nnano.2015.207

Source: https://habr.com/ru/post/pt395395/