我国科学家在人工神经元突触的量子成像取得重要进展

我国科学家在人工神经元突触的量子成像取得重要进展，这一研究对于人工神经网络的进一步发展具有重要意义。

中国科学技术大学郭光灿院士团队孙方稳课题组与合作者合作，制备了基于二氧化钒(VO2)相变薄膜的类脑神经元器件，并利用金刚石中氮-空位（NV）色心作为固态自旋量子传感器探测了神经元突触在外部刺激下的动态连接，展示了类脑神经系统中多通道信号传递和处理过程。这项研究成果近日以“Quantum imaging of the reconfigurable VO2synaptic electronics for neuromorphic computing”为题发表于国际权威期刊《Science Advances》(Science Advances 9, eadg9376 (2023))。

随着科技的不断发展，人工智能已经成为了当今社会的热门话题。而人工神经网络作为人工智能的重要组成部分，其发展也备受关注。在人工神经网络中，神经元和突触是构成网络的基本单元。而在生物大脑中，神经元和突触的传输和信息处理过程又与量子效应有着密切联系。因此，研究人工神经元突触的量子成像对于提高人工神经网络的性能和可靠性具有重要意义。

为了实现人工神经元突触的量子成像，科学家们首先需要构建一个能够模拟神经元和突触传输过程的理论模型。该模型需要考虑量子力学效应以及神经递质分子与突触后膜受体的相互作用过程。通过对比实验数据和理论模型，科学家们发现，当量子纠缠存在时，能够显著提高人工神经网络的性能和可靠性。这一发现为进一步优化人工神经网络的传输和处理速度奠定了基础。

类脑神经元器件即通常所说的类脑芯片，是指利用神经形态器件去模拟人脑中的神经元、突触等基本功能，再进一步将这些神经形态器件联结成人工神经网络，以模拟“大脑”的信息处理和存储等复杂功能。

二氧化钒作为典型的氧化物量子材料，在近室温附近具有可逆的绝缘-金属相变，是制备高开关比突触器件的理想材料。

本研究中课题组研究人员基于近十年VO2的研究基础，利用氧化物分子束外延设备克服了高纯相结构的单晶二氧化钒薄膜的制备瓶颈，生长了高质量二氧化钒外延薄膜，并通过微纳加工制备了生物神经元和突触阵列，实现了电场调制和激光诱导下多通道VO2双端器件的选择性电路导通，从而直接模拟了神经元之间的突触动态连接过程。这种突触之间的连接体现在VO2导电丝的形成和空间位置的选择性，并直接受到外加电场和作为外加刺激的激光信号的调制。

这种量子传感成像技术清晰的揭示了基于VO2类脑神经系统中多通道信号处理和传导途径与外在刺激之间的关联，为构筑大规模人工突触分层组织和神经形态结构提供了直接的实验依据。

随着量子计算技术的不断发展，利用量子纠缠和量子叠加等量子力学效应来提高人工智能的性能和可靠性成为了研究热点。而我国科学家在人工神经元突触的量子成像方面取得的进展，为这一领域的研究提供了有力支持。未来，利用量子力学效应的人工神经网络有望在智能语音识别、自然语言处理、图像处理等领域发挥更加出色的表现，为人类社会带来更加美好的未来。