De diepe ruimte, het hart van een kernreactor en het oppervlak van een planeet zoals Mars vertegenwoordigen omgevingen waar de elektronica waarop we dagelijks vertrouwen simpelweg ophoudt te functioneren. De silicon chips die onze telefoons en computers aandrijven, zijn gebouwd op de beweging van elektrische lading, een mechanisme dat instabiel wordt wanneer het wordt blootgesteld aan extreme hitte, intense magnetische velden of de onzichtbare bombardementen van straling. In deze vijandige zones kunnen de atomen die een computer vormen zelfs uit hun plaats worden gestoten, of kunnen de minuscule stromen door barrières tunnelen waar ze nooit voor bedoeld waren, wat tot het falen van de machine leidt. Decennialang hebben ingenieurs geprobeerd deze fragiele apparaten te beschermen met zware afscherming, maar dat voegt te veel gewicht toe voor ruimtevaartuigen en kan de drukkende omstandigheden binnen een fusiereactor niet overleven. De wetenschappelijke gemeenschap zoekt al lang naar een ander soort hardware, een die niet rust op de fragiele stroom van lading, maar in plaats daarvan gebruikmaakt van de intrinsieke spin van elektronen, een eigenschap die veel robuuster is tegen de chaos van extreme omgevingen.

Een team van onderzoekers heeft nu een werkend prototype gedemonstreerd van een dergelijk apparaat, een computerchip die werkt zonder digitale verwerking en omstandigheden overleeft die conventionele elektronica zouden vernietigen. Ze bouwden een apparaat met behulp van een specifiek type materiaal dat een antiferromagnet wordt genoemd, een substantie waarbij de interne magnetische spins zijn vergrendeld in een rigide, tegenovergesteld patroon dat het materiaal onzichtbaar maakt voor externe magnetische velden. Door een dunne film van dit materiaal, gemaakt van mangaan en iridium, op een speciale kristal te plaatsen die van vorm verandert wanneer er spanning op wordt toegepast, creëerden ze een systeem waarbij elektriciteit kan worden gecontroleerd door mechanische spanning in plaats van door grote hoeveelheden stroom door de chip te duwen. Deze aanpak stelt het apparaat in staat om complexe berekeningen direct op analoge signalen uit te voeren, zoals geluidsgolven of camerabeelden, zonder ze eerst om te zetten in de enen en nullen van een digitale computer. Het resultaat is een processor die spraak kan herkennen, objecten kan identificeren en een drone autonoom kan besturen, terwijl hij temperaturen tot 500 Kelvin, magnetische velden van 55 Tesla en stralingsdoses die een standaard microchip direct zouden frituren, kan doorstaan.

De kern van deze doorbraak ligt in de manier waarop het apparaat informatie verwerkt. In plaats van een signaal in een rigide digitaal formaat te dwingen, laten de onderzoekers de ruwe analoge spanning van een geluidsgolf of een beeld de materie direct in verschillende fysieke toestanden duwen. Omdat het materiaal een geschiedenisafhankelijke geheugen heeft, verandert de elektrische weerstand op een complexe, niet-lineaire manier afhankelijk van het pad dat het heeft afgelegd om daar te komen. Het team ontdekte dat door verschillende kleine bias-spanningen toe te passen op een array van deze apparaten, ze een diverse set reacties konden creëren die rommelige data op natuurlijke wijze scheiden en organiseren. Dit proces, dat zij input-gemoduleerde in-situ zelfverfrissende codering noemen, stelt de hardware in staat om direct bruikbare kenmerken uit een signaal te extraheren, zonder de noodzaak van de trage, energieverslindende digitale voorverwerking die meestal aan machine learning voorafgaat. Het apparaat fungeert als een fysiek filter dat een chaotische stroom van data omzet in een duidelijk patroon dat een eenvoudige classifier kan lezen.

In hun tests voedden de onderzoekers directe audio-opnames van gesproken woorden in de chip. Zonder enige digitale conversie of tijdrovende signaalreiniging, identificeerde het apparaat de woorden met een nauwkeurigheid van 99,8 procent. Ze testten het systeem ook met visuele data, waarbij ze het vroegen om gebaren en objecten te herkennen in ruisige, kwalitatief minderwaardige beelden die de slechte zichtbaarheid simuleren die vaak voorkomt in de ruimte of tijdens zonnestormen. De chip slaagde erin om verschillende handbewegingen te onderscheiden en visuele doelwitten te identificeren met bijna perfecte nauwkeurigheid, zelfs wanneer de beelden wazig waren of verstoord door interferentie. Deze capaciteit is cruciaal omdat het betekent dat een ruimtevaartuig of een robot kritische beslissingen in realtime kan nemen, en direct reageert op zijn omgeving zodra het iets ziet of hoort, in plaats van te wachten tot de data naar de aarde wordt verzonden voor verwerking.

Om te bewijzen dat deze technologie gebruikt zou kunnen worden voor real-world navigatie, integreerde het team de chip in een kleine drone. De drone vloog autonoom, waarbij hij een camera gebruikte om grondmarkeringen te spotten en de antiferromagnetische chip gebruikte om te beslissen waar hij vervolgens heen moest gaan. Het systeem verwerkte de visuele input direct, waarbij de patronen die het zag vertaalde naar vliegcommando's zoals "draai links", "daal af" of "land". De drone navigeerde succesvol een parcours, vermeed obstakels en landde precies, terwijl de chip opereerde op een snelheid die de traditionele processors ver overstijgt en met een fractie van de energie. Het hele systeem verbruikte slechts ongeveer 0,2 femtojoule aan energie voor elke enkele operatie, een efficiëntieniveau dat ordes van grootte beter is dan huidige digitale systemen.

Misschien wel het meest opmerkelijke aspect van dit werk is de pure veerkracht van de hardware. De onderzoekers onderwierpen de kale chip aan condities die effectief onmogelijk zijn voor standaard elektronica om te overleven. Ze stelden het bloot aan magnetische velden zo sterk als 55 Tesla, wat meer dan een miljoen keer sterker is dan het magnetisch veld van de aarde, en het apparaat bleef zonder fouten functioneren. Ze verhitten het tot 500 Kelvin en bombardeerden het met stralingsdoses van 1,5 miljoen rads, niveaus die de logische poorten van een conventionele computer direct zouden vernietigen. Zelfs na deze extreme beproevingen behield de chip zijn vermogen om informatie te verwerken en patronen te herkennen. Dit suggereert dat de fundamentele fysica van het antiferromagnetische materiaal het beschermt tegen de verstoringen die gewoonlijk de elektronische uitval veroorzaken, wat een nieuwe weg biedt voor exploratie in de meest gevaarlijke hoeken van ons universum.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het bouwen van betere computers voor de ruimte. Door aan te tonen dat complexe taken zoals spraakherkenning en autonome navigatie direct in het analoge domein kunnen worden uitgevoerd, hebben de onderzoekers de deur geopend naar een nieuwe klasse van computing die inherent snel, efficiënt en robuust is. Het apparaat heeft geen bescherming, koeling of afscherming nodig; het werkt simpelweg vanwege de manier waarop de atomen zijn gerangschikt. Dit zou de manier waarop we systemen ontwerpen voor diepe ruimtemissies, kernfusiereactoren en experimenten in de hogenergetische fysica kunnen revolutioneren, plaatsen waar de omgeving te vijandig is voor de delicate silicon chips waar we momenteel op vertrouwen. Het team is voorbij de theorie gegaan naar een werkend prototype, waarmee bewezen is dat een computer gebouwd kan worden van materialen die gedijen in de omstandigheden die alles anders vernietigen.

Dit succes markeert een significante verschuiving in hoe we denken over computing in extreme omgevingen. Jarenlang was de oplossing voor zware omstandigheden het bouwen van dikkere muren en zwaardere schilden, een strategie die onhoudbaar wordt naarmate missies verder in het onbekende doordringen. Deze nieuwe aanpak suggereert dat de oplossing ligt in het veranderen van het materiaal zelf. Door gebruik te maken van de spin van elektronen in plaats van hun lading, en door gebruik te maken van het natuurlijke geheugen van magnetische materialen, hebben de onderzoekers een processor gecreëerd die niet alleen bestand is tegen schade, maar fundamenteel is ontworpen om te opereren waar anderen dat niet kunnen. Het vermogen om hoogwaardige intelligentietaken uit te voeren met zulke lage energie en zulke hoge snelheid, terwijl de meest extreme condities worden doorstaan, vertegenwoordigt een echte sprong voorwaarts in ons vermogen om de meest extreme grenzen van onze wereld en daarbuiten te verkennen en te begrijpen.