Компьютерный чип, работающий на грани хаоса

Исследования в области компьютерных технологий и нейробиологии продолжают пересекаться, открывая новые горизонты для создания более эффективных и мощных вычислительных систем. В частности, ученые работают над концепцией, которая предполагает, что компьютерные чипы могут функционировать аналогично человеческому мозгу, находясь на «грани хаоса». Это состояние представляет собой уникальную точку, где порядок и беспорядок сосуществуют. 

На первый взгляд, компьютерный чип, работающий на грани хаоса, может показаться нестабильным и подверженным сбоям. Однако многие исследователи полагают, что именно такой принцип работы характерен для человеческого мозга. Рассмотрим, например, нейрон — основную функциональную единицу мозга. Каждый нейрон имеет аксон — длинный отросток, который передает электрические сигналы другим нейронам. Эти сигналы необходимы для восприятия окружающего мира и управления телесными функциями. 

Длина аксонов варьируется от 1 миллиметра до более 1 метра, и, в отличие от проводов в компьютерных чипах, аксонам не требуются отдельные усилители для передачи сигналов. Это связано с тем, что аксоны обладают способностью самоусиления, что позволяет им эффективно передавать электрические сигналы без значительных потерь. Некоторые исследователи считают, что работа нейронов на грани хаоса позволяет им усиливать даже самые слабые колебания электрических сигналов, не допуская их полного исчезновения. 

В последние годы учёные активно исследуют возможность воспроизводства подобных процессов в искусственных, небиологических средах. Одно из недавних исследований продемонстрировало успешную реализацию такой задачи с использованием материала под названием лантанокобальтит (LaCoO₃).

Создание условий на грани хаоса

Первым шагом в эксперименте стало создание условий, близких к состоянию хаоса, в материале LaCoO₃. Хаос в данном контексте означает нестабильное состояние, в котором малейшие изменения начальных условий приводят к значительным изменениям в поведении системы. Чтобы достичь этого состояния, учёные подали на материал электрический ток определённой силы. В результате небольшие флуктуации выходного напряжения начали усиливаться, указывая на то, что система находится на грани перехода к хаотическому поведению.

Эксперимент с проводником

Затем учёные решили проверить, как подобные условия будут влиять на проводник, находящийся в контакте с пластиной LaCoO₃. Для этого они взяли два провода диаметром 1 мм и уложили их поверх пластины. Через эти провода пропускался тот же электрический ток, создавая условия на грани хаоса. На одном конце одного из проводов был подан сигнал переменного напряжения, а затем учёные измерили сигнал напряжения на противоположном конце провода. Результаты показали небольшое увеличение амплитуды колебаний напряжения, что свидетельствовало о том, что сигнал усиливается.

Источник энергии для усиления сигнала

Для усиления сигнала обычно требуется дополнительная энергия. В традиционных электронных компонентах эта энергия поступает извне, например, от источника питания. Однако в данном случае учёные обнаружили, что энергия для усиления сигнала поступает из того же источника, который поддерживает систему на грани хаоса — из приложенного тока. Обычно в электронных устройствах значительная часть этой энергии рассеивается в виде тепла. Но на границе хаоса часть энергии вместо этого идёт на усиление сигнала.

Подробности открытия изложены в статье для журнала Nature.