Las computadoras funcionan con dígitos: ceros y unos, para ser exactos.Sus cálculos son digitales;sus procesos son digitales;Incluso sus recuerdos son digitales.Todo lo cual requiere recursos de energía extraordinarios.Mientras miramos hacia la próxima evolución de la informática y el desarrollo de la informática neuromórfica o "similar al cerebro", esos requisitos de energía son inviables.

para avanzarcomputación neuromórfica, algunos investigadores están buscando mejoras analógicas.En otras palabras, no sólo se trata de avanzar en el software, sino también en el hardware.Una investigación de la Universidad de California en San Diego y UC Riverside muestra una nueva y prometedora forma de almacenar y transmitir información mediante bucles superconductores desordenados.

La investigación del equipo, queapareceen elActas de la Academia Nacional de Ciencias, ofrece la capacidad de los bucles superconductores para demostrar la memoria asociativa, que, en los humanos, permite al cerebro recordar la relación entre dos elementos no relacionados.

"Espero que lo que estamos diseñando, simulando y construyendo sea capaz de realizar ese tipo de procesamiento asociativo muy rápido", afirmó el profesor de Física de UC San Diego, Robert C. Dynes, uno de los coautores del artículo.

Creando recuerdos duraderos

Imagínatelo: estás en una fiesta y te encuentras con alguien que no has visto en mucho tiempo.Sabe su nombre pero no puede recordarlo.Tu cerebro comienza a buscar información: ¿dónde conocí a esta persona?¿Cómo nos presentaron?Si tienes suerte, tu cerebro encuentra el camino para recuperar lo que falta.A veces, por supuesto, no tienes suerte.

Dynes cree quememoria a corto plazopasa a la memoria a largo plazo con la repetición.En el caso de un nombre, cuanto más ves a la persona y usas el nombre, más profundamente queda grabado en la memoria.Por eso todavía recordamos una canción de cuando teníamos diez años pero no recordamos qué almorzamos ayer.

"Nuestros cerebros tienen este notable don de la memoria asociativa, que realmente no entendemos", afirmó Dynes, quien también es presidente emérito de la Universidad de California y ex rector de la UC San Diego."Puede funcionar a través de la probabilidad de respuestas porque está altamente interconectado. Este cerebro de computadora que construimos y modelamos también es altamente interactivo. Si ingresas una señal, todo el cerebro de la computadora sabe que lo hiciste".

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¿Cómo funcionan los bucles superconductores desordenados?Se necesita un material superconductor; en este caso, el equipo utilizó óxido de itrio, bario y cobre (YBCO).Conocido como superconductor de alta temperatura, YBCO se vuelve superconductor a alrededor de 90 Kelvin (-297 F), lo cual, en el mundo de la física, no es tan frío.Esto hizo que fuera relativamente fácil de modificar.

Las películas delgadas de YBCO (de unas 10 micras de ancho) se manipularon con una combinación de campos magnéticos y corrientes para crear un cuanto de flujo único en el bucle.Cuando se eliminó la corriente, el cuanto de flujo permaneció en el circuito.Piense en esto como una pieza de información o recuerdo.

Este es un bucle, pero la memoria asociativa y el procesamiento requieren al menos dos datos.Para esto, Dynes utilizó bucles desordenados, lo que significa que los bucles son de diferentes tamaños y siguen diferentes patrones, esencialmente aleatorios.

Una unión de Josephson, o "eslabón débil", como a veces se la conoce, en cada bucle actuaba como una puerta a través de la cual podían pasar los cuantos de flujo.Así es como se transfiere la información y se construyen las asociaciones.

Aunque la arquitectura informática tradicional tiene requisitos continuos de alta energía, no sólo para el procesamiento sino también para el almacenamiento de memoria, estos bucles superconductores muestran ahorros de energía significativos, en la escala de un millón de veces menos.Esto se debe a que los bucles sólo requieren energía cuando realizan tareas lógicas.Los recuerdos se almacenan en el físico.material superconductory puede permanecer allí permanentemente mientras el bucle siga siendo superconductor.

El número de ubicaciones de memoria disponibles aumenta exponencialmente con más bucles: un bucle tiene tres ubicaciones, pero tres bucles tienen 27. Para esta investigación, el equipo construyó cuatro bucles con 81 ubicaciones.A continuación, a Dynes le gustaría ampliar el número de bucles y el número de ubicaciones de memoria.

"Sabemos que estos bucles pueden almacenar recuerdos. Sabemos quememoria asociativaobras.Simplemente no sabemos qué tan estable es con un mayor número de bucles", afirmó.

Este trabajo no sólo es digno de mención para los físicos e ingenieros informáticos;También puede ser importante para los neurocientíficos.Dynes habló con otro presidente emérito de la Universidad de California, Richard Atkinson, un científico cognitivo que ayudó a crear un modelo fundamental de la memoria humana llamado modelo Atkinson-Shiffrin.

Atkinson, quien también es ex rector de UC San Diego y profesor emérito de la Facultad de Ciencias Sociales, estaba entusiasmado con las posibilidades que vio: "Bob y yo hemos tenido excelentes conversaciones tratando de determinar si su investigación basada en la físicared neuronalpodría usarse para modelar la teoría de la memoria de Atkinson-Shiffrin".

"Su sistema es bastante diferente de otras redes neuronales basadas en la física propuestas y es lo suficientemente rico como para poder usarlo para explicar el funcionamiento del sistema de memoria del cerebro en términos del proceso físico subyacente. Es una perspectiva muy emocionante".

Más información:Uday S. Goteti et al, Comportamiento colectivo de redes neuronales en un sistema desordenado de bucles superconductores impulsado dinámicamente,Actas de la Academia Nacional de Ciencias(2024).DOI: 10.1073/pnas.2314995121