À l’intersection de la chimie et du calcul, des chercheurs de l’Université de Glasgow ont développé un système informatique probabiliste hybride numérique-chimique basé sur la réaction de Belousov-Zhabotinsky (BZ) qui peut être utilisé pour résoudre des problèmes d’optimisation combinatoire.
En exploitant la nature probabiliste inhérente des réactions BZ, le système démontre des comportements émergents tels que la réplication et la compétition observés dans des systèmes complexes, rappelant les organismes vivants. Cela pourrait ouvrir la voie à de nouvelles approches des tâches informatiques qui sont déconcertées par les limites imposées par le calcul moderne.
La combinaison du contrôle électronique et de la dynamique chimique offre un moyen d’effectuer des calculs efficaces, combinant le meilleur des deux pour le développement de plates-formes informatiques adaptatives et bio-inspirées avec une efficacité et une évolutivité inégalées.
La recherche dirigée par le professeur Leroy Cronin, titulaire de la chaire Regius de chimie à l’Université de Glasgow, a été publiée dans Communications naturelles. Le professeur Cronin a parlé à Phys.org de leur travail et a déclaré sa motivation à poursuivre le même travail.
« Je voulais voir si nous pouvions créer un nouveau type de système de traitement de l’information chimique, car je suis inspiré par la façon dont la biologie peut traiter l’information dans les cerveaux humides », a-t-il déclaré.
Limites de l’informatique moderne
L’informatique moderne s’appuie sur des transistors, éléments constitutifs des appareils électroniques, qui sont utilisés pour créer des portes logiques et des cellules de mémoire, constituant la base des circuits numériques. Mais le besoin et la demande de puissance de calcul accrue signifient que les transistors deviennent de plus en plus petits.
La miniaturisation des transistors présente plusieurs limites dues aux contraintes imposées par les fabrications et aux lois de la physique. Plus le transistor est petit, plus il est difficile à fabriquer et nécessite plus de puissance, dissipant plus de chaleur et étant de moins en moins économe en énergie.
Cela a conduit les scientifiques à explorer d’autres types d’informatique, comme l’informatique quantique, qui, tout en étant extrêmement puissante pour résoudre les problèmes, les ordinateurs classiques ne peuvent pas souffrir de problèmes d’évolutivité dus à la correction d’erreurs.
D’un autre côté, le calcul basé sur des processus physiques, tels que les réactions chimiques, utilise un mélange de systèmes tels que le numérique, le chimique et l’optique. Cela ouvre de nouvelles voies pour des architectures informatiques non conventionnelles dotées de capacités allant au-delà des systèmes numériques traditionnels.
La réaction du BZ
La réaction BZ est un exemple classique d’oscillateur chimique, dans lequel les concentrations de réactifs et de produits subissent des changements périodiques. On l’observe dans de nombreux systèmes chimiques, tels que les laboratoires et les systèmes biologiques.
La capacité de la réaction BZ à présenter une dynamique complexe et non linéaire en fait un choix attrayant pour étudier les phénomènes émergents et les paradigmes informatiques non conventionnels.
Dans cette recherche, la réaction BZ sert de base à un système informatique hybride en raison de son comportement oscillatoire inhérent, de son adaptabilité et de sa réactivité aux stimuli externes. En exploitant la dynamique des réactions BZ, les chercheurs peuvent imiter des comportements complexes observés dans les systèmes naturels, fournissant ainsi une plate-forme de calcul polyvalente.
Les concentrations peuvent servir d’informations binaires (0 étant de faibles concentrations et 1 pour des concentrations élevées) et les concentrations oscillantes peuvent servir de variables dépendantes du temps. De plus, les informations peuvent se propager entre des cellules individuelles ayant des réactions BZ via des processus tels que la diffusion.
Le professeur Cronin a expliqué en outre : « La réaction a deux états activés et désactivés et chaque boîte [or cell] dans le réseau peut clignoter indépendamment, en synchronisation ou après communication. C’est le processus par lequel le système peut être programmé pour calculer un problème qui est ensuite lu par la caméra. »
Un processeur d’informations programmable hybride
Le cœur du processeur d’informations est une grille imprimée en 3D de réacteurs interconnectés. Chaque réacteur ou cellule héberge la réaction BZ, ce qui en fait un ensemble de réactions BZ.
L’entrée de ce réseau est électronique et contrôlée par des agitateurs magnétiques capables de manipuler la réaction au sein de ces cellules. Il existe également des agitateurs interfaciaux capables de faciliter les interactions entre cellules couplées (via diffusion), cela permet de synchroniser les oscillations.
Les chercheurs ont observé que les oscillations des concentrations de réactifs et de produits se produisent sous forme d’oscillations à amortissement forcé, les agitateurs jouant un rôle crucial dans leur contrôle.
Ce comportement est une caractéristique des réactions BZ, dans lesquelles les espèces chimiques subissent des changements périodiques de concentration au fil du temps. Ces changements se remarquent par les changements de couleur des liquides.
Le traitement de sortie implique deux composants clés : un réseau neuronal convolutif (CNN) et une machine à états finis de reconnaissance (rfsm). Ces composants analysent les concentrations de réactifs et de produits dans la réaction BZ, qui sont capturées à l’aide de caméras vidéo.
Le CNN classe les concentrations en états chimiques discrets, tandis que le rfsm détermine l’état chimique correspondant sur la base de cette classification.
En termes simples, les états chimiques discrets sont classés et déterminés en fonction des concentrations de réactifs et de produits au sein de la réaction BZ, qui sont elles-mêmes probabilistes en raison de la nature des réactions.
La nature probabiliste vient du fait que la réaction BZ est non linéaire, ce qui entraîne des interactions complexes entre des espèces chimiques qui présentent une variabilité inhérente et une imprévisibilité dans leur comportement au fil du temps.
L’ensemble du système fonctionne de manière fluide et continue sur la base d’une boucle de rétroaction basée sur les couleurs changeantes du liquide. Lorsque les concentrations oscillent, le système est « allumé », indiqué par des couleurs bleues et lorsqu’il n’y a pas d’oscillations, les liquides sont rouges, ce qui signifie que le système est « éteint ».
Cette boucle manipule les agitateurs en fonction des couleurs, garantissant ainsi la continuité du processus à l’aide d’un contrôle « forcé » ou externe.
Automates cellulaires chimiques et résolution de problèmes d’optimisation
Les chercheurs ont utilisé le processeur hybride pour présenter sa capacité de calcul en mettant en œuvre des automates cellulaires chimiques (CCA) en 1D et 2D.
Il s’agit de modèles mathématiques permettant de simuler des systèmes complexes composés de composants simples interagissant localement les uns avec les autres selon des règles prédéfinies.
Cela conduit à des comportements émergents tels que la réplication et la compétition manifestés par les « Chemits », qui sont des entités multicellulaires définies par des modèles de concentrations chimiques au sein de la grille de réacteurs interconnectés hébergeant la réaction BZ.
Ces comportements ressemblent à ceux observés chez les organismes vivants et contribuent à la complexité et à l’adaptabilité du système informatique.
De plus, les chercheurs démontrent que leur approche informatique, qui intègre à la fois des composants électroniques et chimiques, peut relever efficacement les défis d’optimisation combinatoire, comme le problème du voyageur de commerce.
Du côté des applications, des systèmes hybrides comme ceux-ci pourraient être très utiles pour les tâches d’apprentissage en profondeur qui nécessitent un comportement non linéaire. Les systèmes chimiques offrent intrinsèquement de telles caractéristiques, ce qui rend les architectures de calcul hybrides économes en ressources pour des problèmes spécifiques où les non-linéarités et le comportement probabiliste sont vitaux.
Le professeur Cornin a ajouté : « Je vois qu’une version à semi-conducteurs pourrait remplacer le matériel d’intelligence artificielle et être formée beaucoup plus facilement. »
À l’avenir, il souhaite explorer la miniaturisation de cette technologie et augmenter la taille du réseau pour résoudre des problèmes vraiment importants.
Plus d’information:
Abhishek Sharma et al, Un processeur d’informations chimiques numériques hybrides programmable basé sur la réaction de Belousov-Zhabotinsky, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-45896-7.
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