拓扑世界“新交规”！我国学者提出新型类脑计算方案

7日，记者从南京大学获悉，该校物理学院缪峰教授、梁世军副教授团队联合南京理工大学程斌教授通过构筑特殊堆垛构型的魔角石墨烯器件，观测到电子型铁电性与拓扑边界态的共存，并基于可选择的准连续铁电开关，首次提出了噪声免疫的类脑计算方案，该工作为开发基于拓扑边界态的新型低功耗电子器件开辟了全新的技术路线。相关研究成果近日发表于国际学术期刊《自然·纳米技术》。

半导体芯片的运行，依赖于电子传输。传统材料中的电子传输会受到散射作用，就如十字路口行驶的车辆，其运动轨迹往往不规则。相比之下，在高速公路上行驶的车辆的运动轨迹是一条直线，这种运动方式排除了外界的干扰，会消耗更少的能量。

缪峰打了个比方说：“在拓扑量子材料中，存在电子传输的‘高速公路’——拓扑边界态。我们作了一个大胆的猜测，如果这种电子传输的‘高速公路’能够按需改变‘车流量’，也就是调控电子传输的‘流量’，能不能实现其在低功耗电子器件中的应用？”

拓扑量子边界态要想形成“高速公路”，主要取决于拓扑边界态体系所具有的独特拓扑保护特性。程斌介绍，通过可按需改变材料陈数的手段，实现对拓扑边界态数目的调控，有望开发出以拓扑边界态为全新信息载体的计算技术。

莫尔超晶格材料是一类通过构筑特殊的二维材料异质结形成的材料体系，在其界面处具有晶格常数远大于初始二维材料的“超级”晶格。

缪峰介绍，研究团队构建了一个全新的莫尔异质结结构。随后，他们在魔角双层石墨烯器件中实现了准连续铁电态的开关功能。此外，团队利用铁电陈绝缘体的拓扑边界态作为信息载体，提出了噪声免疫的类脑计算方案。

梁世军表示，相较于传统的电阻存储器，基于铁电陈绝缘体器件的一个卷积神经网络具有对噪声免疫的特性，这表明拓扑保护的量子边界态在类脑计算中具有巨大应用潜力。

“此次研究，主要是基于拓扑量子效应的类脑计算器件原型概念验证。未来，我们还需克服大面积材料的转移、器件的规模化集成方案、外围适配电路的开发等诸多挑战，实现拓扑量子类脑计算芯片原型，探索其在实际场景中的应用潜力。”缪峰说。