艾薩克-牛頓在被隔離於鼠疫蔓延的情況下取得了突破性的科學成果，這是一個傳奇。加州大學聖地亞哥分校的物理學家現在可以在大流行病驅動的科學史上佔有一席之地。加州大學聖地亞哥分校的一個研究小組和普渡大學的同事現在已經模擬出了模仿大腦功能的新型人工智能計算設備的基礎，這一成就很大程度上由COVID-19大流行病封鎖帶來的。
通過將新的超級計算材料與專門的氧化物相結合，研究人員成功地展示了電路和設備網絡的主幹，這些網絡反映了基於生物的神經網絡中的神經元和突觸的連接。
《美國國家科學院院刊》（PNAS）對這些模擬進行了描述。
隨着今天的計算機和其他設備的帶寬需求達到其技術極限，科學家們正在努力實現更強大的通信能力，在未來，新材料可以被協調起來，以模仿類似動物神經系統的速度和精度。基於量子材料的神經形態計算，顯示出基於量子力學的特性，使科學家有能力超越傳統半導體材料的限制。這種先進的多功能性為新時代的設備打開了大門，這些設備比今天的設備更靈活，能源需求更低。其中一些工作由物理系助理教授Alex Frañó和加州大學聖地亞哥分校的量子材料節能神經形態計算（Q-MEEN-C）的其他研究人員領導，該中心是能源部支持的能源前沿研究中心。
Frañó說：”在過去的50年裡，我們看到了令人難以置信的技術成就，這些成就讓計算機逐漸變小和變快–但即使是這些設備也有數據存儲和能源消耗的限制，”Frañó說，他與加州大學聖地亞哥分校前校長、加州大學校長和物理學家Robert Dynes一起擔任PNAS論文的作者之一。”神經形態計算的靈感來自於數以百萬計的神經元、軸突和樹突的湧現過程，這些神經元、軸突和樹突在一個極其複雜的神經系統中連接在我們身體各處。”
作為實驗物理學家，Frañó和Dynes通常在實驗室里忙於使用最先進的儀器來探索新材料。但是隨着大流行病的發生，Frañó和他的同事們被迫與世隔絕，擔心他們如何保持研究的進展。他們最終認識到，他們可以從模擬量子材料的角度來推進他們的科學。Frañó說。”我和我的合著者決定從更多的理論角度研究這個問題，所以我們坐下來，開始每周（基於Zoom的）會議。最終，這個想法發展並起飛了”。
研究人員的創新是基於連接兩種類型的量子物質–基於氧化銅的超導材料和基於氧化鎳的金屬絕緣體過渡材料。他們創造了基本的”循環裝置”，可以用氦氣和氫氣在納米尺度上精確控制，反映了神經元和突觸的連接方式。添加更多的這些設備后，再使其相互連接並交換信息，模擬顯示，最終它們將可以創建一個網絡設備陣列，顯示出像動物的大腦一樣的突發特性。像大腦一樣，神經形態設備被設計為加強比其他設備更重要的連接，類似於突觸比其他信息更重要的稱重方式。
“令人驚訝的是，當你開始放入更多的循環時，會開始看到你沒有預期的行為，”Frañó說。”從這篇論文中，我們可以想象用6個、20個或100個這樣的設備來做這件事–然後它就會以指數形式變得豐富。最終的目標是創建一個由這些設備組成的非常大而複雜的網絡，它們將有能力學習和適應。”現在，Frañó和他的同事們又回到了實驗室，用真實世界的儀器測試PNAS論文中描述的理論模擬。