In zijn hoogtijdagen was Blue Waters van UIUC een van 's werelds beste supercomputers. Iedereen die nieuwsgierig was, kon langskomen bij de 30.000 vierkante meter grote machinekamer voor een rondleiding en een half uur slenteren tussen de 288 enorme zwarte kasten, ondersteund door een 24 megawatt stroomvoorziening, die zijn honderdduizenden rekenkernen huisvestte .

Blue Waters is verdwenen, maar vandaag de dag is UIUC de thuisbasis van niet slechts één, maar tienduizenden enorm superieure computers. Hoewel deze wonderbaarlijke machines Blue Waters te schande maken, weegt elk slechts drie pond, kan worden gevoed door koffie en sandwiches, en is slechts zo groot als de twee handen van de eigenaar die in elkaar zijn gekruld. We dragen ze allemaal tussen onze oren.

Het feit is dat de mensheid verre van kunstmatige computers heeft die de capaciteiten van het menselijk brein kunnen evenaren, buiten een beperkt aantal goed gedefinieerde taken. Zullen we ooit de magie van de hersenen vastleggen? Om die vraag te helpen beantwoorden, leidde Axel Hoffmann van MRL onlangs het schrijven van een APL Materials "Perspectives"-artikel dat een samenvatting geeft van en reflecteert op pogingen om zogenaamde "kwantummaterialen" te vinden die de hersenfunctie kunnen nabootsen.

"Het basisidee van wat we in dit artikel bespreken, is het volgende:dat informatietechnologieën steeds energie-intensiever worden", zegt Hoffmann, oprichter en professor in Materials Science &Engineering. "Weet je, we gebruiken veel meer rekenkracht dan vroeger voor allerlei dingen... en sommige van deze dingen kosten verrassend veel energie."

Bovendien zijn traditionele complementaire metaaloxide-halfgeleidercomputers (CMOS) niet eens geschikt voor veel van de hedendaagse computertaken, zoals beeldherkenning, waarbij gegevens met ruis en slecht gedefinieerde kenmerken van belang kunnen zijn. "CMOS is ontworpen om echt een zeer nauwkeurige machine te zijn, waarbij het verschillende informatiestatussen goed gescheiden houdt", legt Hoffmann uit. "Dus het is niet erg goed ontworpen om dingen te doen met veel willekeur en fluctuaties."

Het menselijk brein daarentegen kan zulke lastige taken gemakkelijk aan, terwijl het aanzienlijk minder energie verbruikt dan moderne computers. "Dus het idee is nu:kunnen we inspiratie halen uit het natuurlijke brein om meer energie-efficiënte manieren te vinden om informatie te verwerken?" vraagt ​​Hoffmann.

Volgens de onderzoekslijn die in het artikel wordt besproken, zal de oplossing "materialen zijn die enkele van dezelfde eigenschappen hebben die je in het natuurlijke brein aantreft."

Bepaalde 'kwantummaterialen' - materialen waarvan de fysieke eigenschappen niet volledig in eenvoudige bewoordingen kunnen worden beschreven - lijken te passen bij de rekening. Sommigen van hen hebben bijvoorbeeld de neiging om te oscilleren op een manier die lijkt op de oscillaties die zich van nature in de hersenen vormen.

"We willen kijken naar materialen die inherent onstabiel en fluctuerend zijn", zegt Hoffmann. "Het is heel anders dan de traditionele computer, waar je zeer grote energiebarrières wilt tussen je logische nullen en enen, zodat ze goed gedefinieerd en goed gescheiden zijn."

Verder zijn in een traditionele computer het geheugen en de rekeneenheid gescheiden en worden gegevens voortdurend heen en weer geschud - een belangrijke reden waarom de berekening zo energie-intensief is.

"In het natuurlijke brein", aan de andere kant, "zijn de berekening en het geheugen veel meer bij elkaar geplaatst", zegt Hoffmann. "Informatie... is veel meer verspreid over het hele netwerk, dus het is niet nodig om het te verplaatsen."

Kwantummaterialen, kortom, openen de deur naar computers die zeer energiezuinig "heen en weer" bieden en kunnen jongleren met meerdere mogelijke toestanden terwijl ze heel weinig energie verbruiken.

Hoffmann was co-auteur van het Perspectives-stuk met zijn collega's van het door UCSD geleide, door DOE gefinancierde Quantum Materials for Energy Efficient Neuromorphic Computing-centrum. Zijn eigen onderzoek op dit gebied richt zich voornamelijk op magnetische materialen en hoe magnetische oscillerende systemen kunnen worden opgeschaald van proof-of-concept-experimenten tot bruikbare systemen. + Verder verkennen

Quantumcomputer werkt met meer dan nul en één