拓撲世界“新交規”！我國學者提出新型類腦計算方案

7日，記者從南京大學獲悉，該校物理學院繆峰教授、梁世軍副教授團隊聯合南京理工大學程斌教授通過構筑特殊堆垛構型的魔角石墨烯器件，觀測到電子型鐵電性與拓撲邊界態的共存，并基于可選擇的準連續鐵電開關，首次提出了噪聲免疫的類腦計算方案，該工作為開發基于拓撲邊界態的新型低功耗電子器件開辟了全新的技術路線。相關研究成果近日發表于國際學術期刊《自然·納米技術》。

半導體芯片的運行，依賴于電子傳輸。傳統材料中的電子傳輸會受到散射作用，就如十字路口行駛的車輛，其運動軌跡往往不規則。相比之下，在高速公路上行駛的車輛的運動軌跡是一條直線，這種運動方式排除了外界的干擾，會消耗更少的能量。

繆峰打了個比方說：“在拓撲量子材料中，存在電子傳輸的‘高速公路’——拓撲邊界態。我們作了一個大膽的猜測，如果這種電子傳輸的‘高速公路’能夠按需改變‘車流量’，也就是調控電子傳輸的‘流量’，能不能實現其在低功耗電子器件中的應用？”

拓撲量子邊界態要想形成“高速公路”，主要取決于拓撲邊界態體系所具有的獨特拓撲保護特性。程斌介紹，通過可按需改變材料陳數的手段，實現對拓撲邊界態數目的調控，有望開發出以拓撲邊界態為全新信息載體的計算技術。

莫爾超晶格材料是一類通過構筑特殊的二維材料異質結形成的材料體系，在其界面處具有晶格常數遠大于初始二維材料的“超級”晶格。

繆峰介紹，研究團隊構建了一個全新的莫爾異質結結構。隨后，他們在魔角雙層石墨烯器件中實現了準連續鐵電態的開關功能。此外，團隊利用鐵電陳絕緣體的拓撲邊界態作為信息載體，提出了噪聲免疫的類腦計算方案。

梁世軍表示，相較于傳統的電阻存儲器，基于鐵電陳絕緣體器件的一個卷積神經網絡具有對噪聲免疫的特性，這表明拓撲保護的量子邊界態在類腦計算中具有巨大應用潛力。

“此次研究，主要是基于拓撲量子效應的類腦計算器件原型概念驗證。未來，我們還需克服大面積材料的轉移、器件的規模化集成方案、外圍適配電路的開發等諸多挑戰，實現拓撲量子類腦計算芯片原型，探索其在實際場景中的應用潛力。”繆峰說。