Μια γραμμή ερευνητικής μηχανικής επιδιώκει να αναπτύξει υπολογιστές ικανούς να αντιμετωπίσουν μια κατηγορία προκλήσεων που ονομάζονται προβλήματα συνδυαστικής βελτιστοποίησης. Αυτά είναι συχνά σε εφαρμογές του πραγματικού κόσμου, όπως η οργάνωση τηλεπικοινωνιών, ο προγραμματισμός και η δρομολόγηση ταξιδιών, με στόχο τη μέγιστη αποδοτικότητα.
Δυστυχώς, οι σημερινές τεχνολογίες συναντούν όρια όσον αφορά την ποσότητα επεξεργαστικής ισχύος που μπορεί να ενσωματωθεί σε ένα τσιπ υπολογιστή, ενώ η εκπαίδευση μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης απαιτεί τεράστια ποσά ενέργειας.
Πρωτοβουλία ομάδας
Πειραματισμοί στο UCLA και στο UC Riverside απέδειξαν μια νέα προσέγγιση που ξεπερνά αυτά τα εμπόδια για να λύσει μερικά από τα πιο δύσκολα προβλήματα βελτιστοποίησης.
Η ομάδα σχεδίασε ένα σύστημα που επεξεργάζεται πληροφορίες χρησιμοποιώντας ένα δίκτυο ταλαντωτών, συστατικών που κινούνται μπρος-πίσω σε συγκεκριμένες συχνότητες, αντί να αναπαριστούν όλα τα δεδομένα ψηφιακά. Αυτού του τύπου η υπολογιστική αρχιτεκτονική, που ονομάζεται μηχανή Ising, διαθέτει ιδιαίτερη δύναμη για παράλληλη επεξεργασία, εκτελώντας πολυάριθμους και σύνθετους υπολογισμούς ταυτόχρονα. Όταν οι ταλαντωτές συγχρονιστούν, το πρόβλημα βελτιστοποίησης επιλύεται.
Στη μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Applied, οι ερευνητές ανέφεραν μια συσκευή βασισμένη σε ορισμένες κβαντικές ιδιότητες που συνδέουν ηλεκτρική δραστηριότητα με δονήσεις που διαπερνούν ένα υλικό. Ωστόσο – σε αντίθεση με τις περισσότερες τρέχουσες κβαντικές εφαρμογές στην υπολογιστική, οι οποίες απαιτούν εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες για να διατηρήσουν την «κβαντικότητά» τους – η συσκευή των ερευνητών μπορεί να λειτουργήσει σε θερμοκρασία δωματίου.
Υπολογιστική με έμπνευση από τη φυσική
«Η προσέγγισή μας είναι υπολογιστική εμπνευσμένη από τη φυσική, η οποία πρόσφατα έχει αναδειχθεί ως μια υποσχόμενη μέθοδος για την επίλυση σύνθετων προβλημάτων βελτιστοποίησης», δήλωσε ο Alexander Balandin, καθηγητής μηχανικής και διακεκριμένος καθηγητής υλικών στο UCLA Samueli School of Engineering. «Αξιοποιεί φυσικά φαινόμενα που περιλαμβάνουν ισχυρά συσχετισμένα συμπυκνώματα ηλεκτρονίων–φώνων για να πραγματοποιήσει υπολογισμούς μέσω φυσικών διαδικασιών απευθείας, επιτυγχάνοντας έτσι μεγαλύτερη ενεργειακή αποδοτικότητα και ταχύτητα».
Η έρευνα έδειξε ότι οι ταλαντωτές εξελίσσονται φυσικά σε κατάσταση ελάχιστης ενέργειας, όπου συγχρονίζονται, επιτρέποντας στη μηχανή να επιλύει προβλήματα συνδυαστικής βελτιστοποίησης.
Κβαντικό υλικό και συμβατότητα
Ο Balandin και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ένα ειδικό υλικό για να γεφυρώσουν το χάσμα μεταξύ της κβαντικής μηχανικής – των αντιφατικών κανόνων που διέπουν τις αλληλεπιδράσεις υποατομικών σωματιδίων – και της πιο οικείας φυσικής της καθημερινής ζωής. Το πρωτότυπο υλικό τους βασίζεται σε μορφή θειούχου τανταλίου, ένα «κβαντικό υλικό» που επιτρέπει την αποκάλυψη της εναλλαγής μεταξύ ηλεκτρικών και δονητικών φάσεων.
Η νέα τεχνολογία έχει δυνατότητα χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και ταυτόχρονα μπορεί να είναι συμβατή με την παραδοσιακή τεχνολογία πυριτίου.
«Οποιοδήποτε νέο υλικό βασισμένο στη φυσική πρέπει να ενσωματωθεί με την τυπική ψηφιακή τεχνολογία CMOS πυριτίου για να επηρεάσει τα συστήματα επεξεργασίας δεδομένων», δήλωσε ο Balandin, μέλος του California NanoSystems Institute στο UCLA, ή CNSI. «Το δισδιάστατο υλικό charge-density-wave που επιλέξαμε για αυτή την επίδειξη έχει τη δυνατότητα για τέτοια ενσωμάτωση».
Κατασκευή και πειράματα
Οι συζευγμένοι ταλαντωτές σε αυτήν την έρευνα κατασκευάστηκαν στο UCLA Nanofabrication Laboratory, που λειτουργεί από κοινού από CNSI και UCLA Samueli και δοκιμάστηκαν στο εργαστήριο Phonon Optimized Engineered Materials του UCLA.
Περισσότερες πληροφορίες: Jonas Olivier Brown et al, Δίκτυα κβαντικών ταλαντωτών κύματος πυκνότητας φορτίου για την επίλυση προβλημάτων συνδυαστικής βελτιστοποίησης, Physical Review Applied (2025). DOI: 10.1103/zmlj-6nn7
Πληροφορίες περιοδικού: Εφαρμοσμένη Φυσική Ανασκόπηση
Παρέχεται από το Ινστιτούτο Νανοσυστημάτων της Καλιφόρνια
