Als computers net zo efficiënt zouden werken als het menselijk brein, zouden ze een stuk sneller en energiezuiniger zijn. Maar hoe valt het lerend vermogen van het brein na te bouwen op een computerchip? Door een netwerk van atomen te maken dat zich gedraagt als een neuraal netwerk, hebben natuurkundigen van de Radboud Universiteit nu een eerste stap gezet. 

In de huidige computer vinden opslag en verwerking van data niet op dezelfde plek plaats. Een betere communicatie tussen de verwerkingsmodule en het computergeheugen maakt de computer sneller, maar verhoogt ook het stroomverbruik. 

In het menselijk brein speelt dat probleem niet. Daar zijn de verwerking en het geheugen met elkaar verweven, wat een hoop energie scheelt (lees ook: 'Werkgeheugen en opslag in een chip' en 'Zoogdierenbrein in doos'). Onderzoekers werken daarom aan systemen die geïnspireerd zijn op het brein, waarbij ze er bovendien naar streven dat de systemen zelflerend vermogen hebben.

Een groep natuurkundigen van de Radboud Universiteit in Nijmegen heeft nu een netwerk van atomen gemaakt waarvan de werking vergelijkbaar is met een neuraal netwerk, geïnspireerd op het brein. Ze publiceerden de resultaten maandag in het vooraanstaande wetenschappelijke tijdschrift Nature Nanotechnology.
 

Nieuwsbrief
Vind je dit een leuk artikel? Abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief!

 

Software en hardware in één

Vooral de groei van kunstmatige intelligentie (AI) vraagt om een herziening van de huidige computer. Voor AI moet de computer patronen leren ontdekken en herkennen, waarin het menselijk brein veel sneller en efficiënter is. 

‘Als we een chip van een materiaal maken dat zelf kan leren, dan hoeven we software en hardware niet meer los van elkaar te ontwikkelen’, zegt onderzoeksleider Alexander Khajetoorians. 

Hiervoor richtten de onderzoekers zich op het atoom kobalt. ‘Door het neurale netwerk zo klein mogelijk te maken, krijgen we straks geen enorme computersystemen’, zegt Khajetoorians.

 

Een enkel atoom

Al in 2018 ontdekten de onderzoekers de mogelijkheid om informatie op te slaan in een enkel kobaltatoom op zwarte fosfor. Met bepaalde voltages konden ze de atomen beschrijven met enen en nullen, net als bits. Ook nadat de stroom van de atomen wordt gehaald, blijft de informatie in de staat van het atoom opgeslagen.

Nu is het de wetenschappers gelukt de kobaltatomen met elkaar te laten communiceren door ze in rasterstructuren op een substraat van zwart fosfor te leggen. ‘Het mooie is dat we verschillende soorten informatieoverdracht hebben ontdekt in deze rasters van kobaltatomen’, zegt Khajetoorians. ‘De atomen die horizontaal gerangschikt liggen, communiceren heel snel en hun gedrag lijkt op dat van neuronen. De atomen die verticaal ten opzichte van elkaar liggen, zijn trager in het uitwisselen van informatie. Dit doet meer denken aan het lerend vermogen van het brein.’

 

De positie van de kobaltatomen ten opzichte van elkaar bepaalt of ze snel of langzaam informatie uitwisselen. Daarmee kunnen de atomen een neuraal netwerk imiteren en het lerend vermogen van het brein nadoen. Beeld: Elze Knol

 

Stemherkenning

De onderzoekers hebben de kobaltnetwerken al getraind om drie verschillende voltages te herkennen. ‘Dit is nog heel abstract’, zegt Khajetoorians. ‘Maar het is voor ons een eerste stap richting bijvoorbeeld stemherkenning.’ Daarvoor willen de onderzoekers het netwerk verder opschalen.

Daarnaast hebben ze meer fundamentele kennis nodig van het systeem. ‘De natuurkunde die ten grondslag ligt aan dit gedrag voor de atomen hebben we nog niet ontdekt’, zegt Khajetoorians. ‘Pas als we daar meer over weten, kunnen we op zoek naar andere materialen die hetzelfde kunnen en deze kennis verder ontwikkelen tot technologie.’

 

Qubits

Volgens Khajetoorians laten deze resultaten ook het belang van fundamenteel onderzoek zien: ‘Dit materiaal kan als basis dienen voor een breinachtige chip, waaraan al meerdere onderzoeksgroepen wereldwijd werken. Mogelijk kunnen we met deze nieuwe ontwikkeling een stap verder. De kobaltatomen lijken in hun gedrag erg op qubits, de bits van de quantumcomputer. Als we dat compleet leren begrijpen, kunnen we misschien zelfs een combinatie maken tussen een breinachtige computer en een quantumcomputer: het quantumbrein.’

 

Openingsfoto: De onderzoekers Werner van Weerdenburg, Brian Kiraly and Elze Knol (van links naar rechts) bij de experimentele opstelling. Foto Alexander Khajetoorians.