Искусственная эволюция превратила случайную систему наночастиц в компьютер

Инженеры из института MESA+ (Университет Твентона, Нидерланды) путем искусственной эволюции превратили хаотическую систему из золотых наночастиц в компьютер, способный проводить логические операции (И, ИЛИ, НЕ и так далее) над двумя входящими сигналами. Переключение между операциями происходит путем приложения к системе определенных напряжений. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.

В качестве основы для логического элемента авторы использовали случайным образом расположенные золотые наночастицы, диаметром по 20 нанометров. Они были помещены в круге диаметром 200 нанометров, к которому были подведены восемь металлических контактов — два из них используются для входящих сигналов, один - для результата операции. Остальные пять контактов и поверхность, на которой находились частицы, представляли собой шесть управляющих элементов. В зависимости от напряжений, приложенных к управляющим контактам менялась вероятность перехода электронов от частицы к частице, благодаря чему и происходило изменение входящего сигнала. 

Главной задачей авторов было найти такие шесть напряжений, при которых выполнялась определенная операция. Сделать это простым перебором практически невозможно - слишком много различных вариантов. Поэтому физики прибегли к методу генетического алгоритма. В этом алгоритме напряжение на каждом из шести контактов представляет собой один ген в геноме логического элемента.

На первом этапе создавалось 25 произвольных генов, каждый из которых оценивался по степени пригодности для конкретной логической операции. Поначалу они практически не давали необходимого результата, однако среди них выделялись пять наиболее подходящих, которые затем скрещивались между собой и с пятью произвольными генами. В этом процессе с некоторой вероятностью могли происходить мутации, а также перестановки генов между геномами. После каждой процедуры скрещивания вновь отбирались пять лучших геномов и процесс повторялся. 

В среднем, в результате 200 «скрещиваний» появлялся геном, обладавший высокой пригодностью для выполнения данной функции. Это занимало около часа экспериментального времени. Полученные элементы были устойчивы на протяжении нескольких суток при температурах 15 кельвин.

Природные вычислительные элементы, такие как мозг или клеточные автоматы, обладают высокой степенью параллельности и способны к адаптации к внешним условиям. В отличие от них, современные компьютеры такими возможностями не обладают. Ранее предполагалось, что кандидатом на роль «природных» вычислителей могут быть хаотические системы. По словам авторов, новая работа — первый пример создания такого вычислителя на основе нанообъектов.

Владимир Королёв