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El primer cerebro cuántico está cada vez más cerca

El cerebro cuántico se perfila cada vez más con más nitidez en el horizonte tecnológico. Se fabrica con materiales cuánticos que usan sus insólitas propiedades y la Inteligencia Artificial para comunicarse y aprender como lo hace el cerebro biológico.

Investigadores de la Universidad de California (UC San Diego) y de la Universidad Purdue han logrado un importante paso hacia la construcción de un cerebro cuántico.

En febrero pasado, investigadores de la Universidad Radboud en los Países Bajos anunciaron que habían ensamblado una red de átomos individuales que pueden crear patrones y conectarse entre sí de una manera similar a como lo hacen las neuronas y las sinapsis del cerebro.

Lo consiguieron utilizando un material cuántico que almacena y procesa información de manera similar al cerebro y, lo que es aún más sorprendente, se adapta según la información recibida.

La nueva investigación representa un paso más hacia la consecución del pretendido cerebro cuántico, que no sería otra cosa que un ordenador que funciona de la misma forma que el cerebro biológico.

Tema relacionado: Una red de átomos puede formar un cerebro cuántico

Dos pilares: Hardware cuántico e IA

El cerebro cuántico se apoya en dos pilares: en primer lugar, en la Inteligencia Artificial (IA), que funciona reconociendo patrones y aprendiendo de la experiencia.

En segundo lugar, en que la dimensión cuántica no es aportada por un programa informático, sino por el mismo material con el que se fabrica la máquina: los así llamados materiales cuánticos.

Los materiales cuánticos representan la gran esperanza de la computación que pretende imitar al cerebro biológico: a medida que las demandas de ancho de banda de los ordenadores y otros dispositivos alcanzan su límite tecnológico, se requieren nuevos materiales que imiten la velocidad y precisión del sistema nervioso natural.

Los materiales cuánticos son aquellos cuyas propiedades esenciales no se pueden describir en términos de la física clásica. Son materiales en los que emergen fenómenos de origen cuántico, como la superconductividad o las fases topológicas de la materia.

Propiedades desconcertantes

Aunque las propiedades de todos los materiales se rigen por las leyes de la mecánica cuántica, muchas de sus propiedades pueden describirse con análogos clásicos.

Sin embargo, las propiedades de algunos materiales no tienen estos análogos clásicos que puedan describirse: por eso se llaman materiales cuánticos.

Estos materiales exhiben propiedades desconcertantes sin contrapartida en el mundo macroscópico, como el entrelazamiento y las fluctuaciones cuánticas, así como fases topológicas de la materia que albergan unas partículas conocidas como fermiones de Majorana.

Los materiales cuánticos son los que estructuran la computación neuromórfica, que se basa en algoritmos y circuitos integrados que imitan el funcionamiento del cerebro.

Al igual que los sistemas de base biológica (izquierda), los comportamientos emergentes complejos, que surgen cuando componentes separados se fusionan en un sistema coordinado, también son el resultado de redes neuromórficas compuestas por dispositivos basados ​​en materiales cuánticos (derecha). UC San Diego.

Nuevos dispositivos de IA

Basada en materiales cuánticos, la computación neuromórfica permite ir más allá de los límites de los materiales semiconductores tradicionales y concebir dispositivos mucho más flexibles, con menores demandas de energía que los dispositivos actuales.

La computación neuromórfica está inspirada en los procesos emergentes de millones de neuronas, axones y dendritas, que están conectadas por todo el organismo a través de un sistema nervioso extremadamente complejo.

Lo que ha hecho la nueva investigación es concebir nuevos dispositivos informáticos para reconocimiento de patrones y aprendizaje automático (recursos de la Inteligencia Artificial) que imitan las funciones cerebrales utilizando para ello las propiedades insólitas de los materiales cuánticos, según se informa en un comunicado.

Mediante simulaciones teóricas, los autores de la nueva investigación combinaron nuevos materiales de supercomputación con óxidos especializados.

Crecimiento sin límites

Descubrieron que esta combinación permite el desarrollo de redes de circuitos y dispositivos que reflejen la conectividad de neuronas y las sinapsis naturales en redes artificiales construidas con materiales cuánticos.

Para conseguirlo, unieron dos tipos de sustancias cuánticas: materiales superconductores basados en óxido de cobre y materiales de transición de aislante metálico basados en óxido de níquel.

Con ellos crearon «dispositivos de bucle» básicos que podían controlarse con precisión a nanoescala con helio e hidrógeno, lo que refleja artificialmente la forma en la que las neuronas y las sinapsis están conectadas en un cerebro biológico.

A continuación comprobaron que, añadiendo nuevos dispositivos que enlazan e intercambian información entre sí, las simulaciones mostraron que permiten la creación de una serie más amplia de dispositivos en red que muestran propiedades emergentes, como las del cerebro de un animal.

A partir de este resultado, el objetivo de sus protagonistas, Alex Frañó y Robert Dynes, es crear una red muy grande y compleja de estos dispositivos, que tendrían la capacidad de comunicarse, aprender y adaptarse, tal como lo hace el cerebro biológico.

Periodo de pruebas

Aunque en los últimos años se ha avanzado mucho en el diseño de circuitos que imitan el comportamiento de las neuronas y las sinapsis, sigue habiendo desafíos por resolver en el diseño de redes que presenten un comportamiento similar al del cerebro biológico, señalan los investigadores.

Añaden que las simulaciones de redes de circuitos y dispositivos basados ​​en materiales cuánticos desarrollados en la nueva investigación, posibilitan una multiplicidad de estados sinápticos muy prometedores que surgen de la configuración neuronal arfificial.

Esa red utiliza las propiedades de los materiales cuánticos para imitar el comportamiento emergente que se encuentra en los sistemas biológicos, concluyen los investigadores en su artículo publicado en PNAS.

Frañó y Dynes ya han comenzado a probar las simulaciones teóricas con instrumentos del mundo real. Todo parece indicar que el cerebro cuántico se perfila cada vez con más nitidez en el horizonte tecnológico.

Referencia

Low-temperature emergent neuromorphic networks with correlated oxide devices. Uday S. Goteti et al. PNAS August 31, 2021 118 (35) e2103934118. DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2103934118

Foto superior: Gerd Altmann en Pixabay

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

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