中國科大取得類腦晶片量子成像 登國際期刊網站

中國科大取得類腦晶片量子成像重要進展。圖爲在《科學進展》期刊首頁上的Feature Image介紹。（中國科學技術大學）

中國科學技術大學18日消息，該校郭光燦院士團隊孫方穩課題組和大陸國家同步輻射實驗室／核科學技術學院鄒崇文課題組合作，製備出類腦神經元器件，並展示出類腦神經系統中多通道訊號傳遞和處理過程。這項研究成果近日發表於國際權威期刊《科學進展（Science Advances）》。這個過程中，實驗人員創新性地探測到了連接過程中導電絲的形成和即時成像。這種量子傳感成像技術，爲構築大規模人工突觸分層組織和神經形態結構提供了直接實驗依據。

類腦神經元器件，即通常所說的類腦晶片，是指利用神經形態器件去模擬人腦中的神經元、突觸等基本功能，再進一步將這些神經形態器件聯結成人工神經網路，以類比「大腦」的資訊處理和存儲等複雜功能。二氧化釩(VO2)作爲典型的氧化物量子材料，在近室溫附近具有可逆的絕緣-金屬相變，是製備高開關比突觸器件的理想材料。

本研究中課題組研究人員基於近十年VO2的研究基礎，利用氧化物分子束外延設備克服了高純相結構的單晶二氧化釩薄膜的製備瓶頸，生長了高品質二氧化釩外延薄膜，並通過微納加工製備了生物神經元和突觸陣列，實現了電場調製和鐳射誘導下多通道VO2雙端器件的選擇性電路導通，從而直接模擬了神經元之間的突觸動態連接過程。這種突觸之間的連接體現在VO2導電絲的形成和空間位置的選擇性，並直接受到外加電場和作爲外加刺激的鐳射訊號的調製。

此外，對於神經元突觸單元之間的動態連接過程，實驗人員創新性利用金剛石NV色心作爲固態自旋量子感測器探測了導電絲的形成和即時成像。由於VO2相變體系的光熱敏感性，相對於傳統的顯微成像技術，比如偏振紅外、拉曼或者近場光學(s-SNOM)等成像技術，採用基於金剛石NV色心的量子傳感方法避免了成像過程中測量系統鐳射訊號的干擾，從而在研究外加刺激鐳射訊號調製下突觸單元的動態連接和即時成像方面顯示出了獨特優勢。這種量子傳感成像技術清晰的揭示了基於VO2類腦神經系統中多通道訊號處理和傳導途徑與外在刺激之間的關聯，爲構築大規模人工突觸分層組織和神經形態結構提供了直接的實驗依據。

該研究成果發表後被《科學進展》期刊網站首頁以「Quantum imaging of artificial synapses」作爲Featured image加以推介。國際知名學術媒體Physics.Org也對本工作做了亮點報導。

該論文第一作者爲中科院量子資訊重點實驗室博士後馮策和國家同步輻射實驗室博士生李博文，通訊作者爲孫方穩教授和鄒崇文研究員。該工作得到了科技創新2030重大專案、中國科學與穩定支持基礎研究領域青年團隊項目、國家自然科學基金、前沿科學重點研究計劃、合肥大科學中心項目、中央高校基本科研業務費等專案的支持。