Учёные создали фотонный «мозг»: микрочип имитирует нейроны с помощью света

Устройства на основе арсенида галлия генерируют стабильные «нейронные» колебания под управлением ближнего инфракрасного света

Исследователи Международной иберийской лаборатории нанотехнологий (INL) представили микроскопическое устройство, способное обрабатывать информацию подобно человеческому мозгу, но с использованием света вместо электричества. Размером с пылинку (6–10 микрометров), этот полупроводниковый чип из арсенида галлия генерирует ритмичные импульсы под воздействием инфракрасного излучения — как нейрон «общается» с другими клетками через синхронизированные сигналы. Технология может стать основой для нового поколения умных устройств: от роботов с мгновенной реакцией до компактных гаджетов, которые не греются и работают годами на одной батарее.

В основе разработки — феномен отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС), который обычно возникает в сложных электронных схемах. Учёные впервые добились его появления под воздействием ближнего инфракрасного света (длина волны 830 нанометров). Когда луч попадает на поверхность чипа, структура из нанослоёв арсенида галлия начинает «пульсировать» — ток скачкообразно меняется при увеличении напряжения, создавая устойчивые колебания. Эти ритмичные импульсы, напоминающие активность биологических нейронов, возникают на частоте 350 тыс. раз в секунду и могут управляться интенсивностью света.

Ранние аналоги таких систем требовали дополнительных компонентов для обработки сигналов, но здесь сенсорные функции и генерация импульсов объединены в одном устройстве. В экспериментах чип демонстрировал стабильную работу даже после 1000 циклов: осцилляции включались при определённой яркости света и подавлялись при её снижении, имитируя процессы возбуждения и торможения в нервной системе. Например, короткие световые импульсы вызывали «пачку» сигналов, которую можно запрограммировать для распознавания образов или фильтрации данных — словно нейрон учится реагировать на внешние стимулы.

Главное преимущество технологии — энергоэффективность. Поскольку свет одновременно является и источником данных, и «топливом» для вычислений, система тратит минимум энергии на преобразование сигналов. Кроме того, скорость обработки в тысячи раз выше, чем у традиционных электронных нейроморфных чипов. Это открывает путь к интеграции разработки в системы машинного зрения для дронов, где задержка в миллисекунды может привести к аварии, или в умные контактные линзы, анализирующие окружение в реальном времени.

Учёные подчёркивают, что их фотонный нейрон совместим с существующими оптоэлектронными компонентами — лидарами, 3D-камерами и датчиками движения. Это позволит внедрять его в автономные автомобили, промышленных роботов и даже медицинские импланты без полного перепроектирования аппаратной части.