Forscher der McGill-Universität haben eine lichtempfindliche Nanostruktur entwickelt, die ein Neuron bei der Informationsverarbeitung nachahmt. Das neuronale Verhalten hat seinen Ursprung in den Materialien selbst. Dadurch ist der Energieverbrauch geringer als bei der Verwendung ähnlicher Geräte, die mit Schaltkreisen oder Software verbunden sind.
Anstatt Daten zu sammeln, um sie später an einem anderen Ort zu verarbeiten, erfasst und interpretiert das Gerät das Licht am selben Ort – ähnlich wie ein Auge visuelle Informationen verarbeitet.
Laut den Forschern könnte diese Innovation die Effizienz visueller Technologien wie künstlicher Netzhäute und intelligenter optischer Sensoren verbessern. Sie könnte auch die Herstellung künstlicher neuronaler Netze (KNN) revolutionieren, die eine der Grundlagen des maschinellen Lernens bilden.
„Durch den Einsatz spezieller Materialien und Nanostrukturen haben wir das erste Gerät entwickelt, das in der Lage ist, die neuronale Dynamik, die man in einem biologischen Kontext beobachtet, originalgetreu nachzubilden“, erklärt Songrui Zhao, Hauptautor und außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informatik.
Ein mehrschichtiges, lichtempfindliches Gerät Die Forscher stellten das Gerät her, indem sie Atomschichten mit einer Technik namens Molekularstrahlepitaxie übereinanderlegten. Anschließend setzten sie es Licht verschiedener Farben, Intensitäten und Dauern aus und maßen die Veränderungen der elektrischen Signale im Material.
Durch eine Analyse der Signale über einen bestimmten Zeitraum stellten sie fest, dass das Gerät in der Lage war, eingehende Signale zu kombinieren, Informationen kurz zu speichern und eine Antwort auszulösen, sobald ein bestimmter Schwellenwert erreicht war. Dieser Mechanismus ähnelt der Art und Weise, wie ein Neuron Informationen verarbeitet, und zeigt, dass ein solches Verhalten direkt aus den physikalischen Eigenschaften des Materials resultieren kann, anstatt aus Software oder einer komplexen Schaltung.
„Durch die sorgfältige Gestaltung der Schichten haben wir ein Gerät geschaffen, dessen Reaktion auf Licht einstellbar ist, was die Grundlage für die Nachbildung des Verhaltens eines einzelnen Neurons darstellt“, sagt Professor Zhao. „Es ist uns gelungen, den elektrischen Stromfluss so zu modulieren, dass wir das gewünschte Verhalten erhalten haben.“
Aufbau neuronaler Netze von Grund auf Nach Ansicht der Forscher könnte dieses Gerät, da künstliche neuronale Netze (KNN) aus einer großen Anzahl miteinander verbundener Neuronen bestehen, einen neuen Ansatz für das Design von Systemen bieten.
„Ein einzelnes künstliches Neuron ist wie eine Zelle, die man als Grundbaustein verwenden kann, um von Grund auf Netzwerke aufzubauen“, fügt Professor Zhao hinzu. „Es ist eine etwas verrückte Idee: etwas Ähnliches wie ein biologisches System aus einem anorganischen Material zu erschaffen.“
Ein solcher Ansatz könnte zu einer effizienteren Informationsverarbeitung und zu Anwendungen in der Spitzeninformatik führen.
Der Forscher präzisiert, dass sich die nächsten Studien auf die Erweiterung des Lichtempfindlichkeitsbereichs des Geräts und die Optimierung seiner Leistung konzentrieren werden, sowie auf Anwendungen wie Datenverschlüsselung, bei denen eine direkte Informationsverarbeitung auf Sensorebene die Sicherheit erhöhen könnte.
Quelle: McGill-Universität