在格拉茨工业大学，一个先驱研究小组正在利用人工智能，大幅度提升纳米结构的构造方式。

他们的目标是开发一种自学人工智能系统，该系统能够以史无前例的精确度自主定位分子，可能为复杂分子结构和用于先进电子产品的量子栅栏的创造带来革命性变化。

以人工智能革新纳米结构构建

一种材料的特性往往受其化学成分的影响较小，而受其分子在原子晶格内或表面排列方式的影响较大。材料科学家利用高性能显微镜在表面定位单个原子和分子，从而利用这一原理。然而，这个过程非常耗时，并且由此产生的纳米结构仍然相对简单。

格拉茨工业大学的一个研究小组计划利用人工智能彻底改变这一方法。“我们想要开发一种自学型人工智能系统，该系统能够快速、准确且以正确方向定位单个分子，并且这一切完全自主实现，”来自固体物理研究所并领导该研究小组的奥利弗·霍夫曼说道。这一进步可能会使得构建高度复杂的分子结构成为可能，包括纳米级逻辑电路。

这个名为“通过人工智能排列分子”的研究小组已经从奥地利科学基金会获得 119 万欧元（123 万美元）的资金，将这一愿景变为现实

分子定位先进技术

使用扫描隧道显微镜可以确定分子在材料表面的位置。探针尖端发出电脉冲，使其携带的分子沉积下来。奥利弗·霍夫曼说：“对于简单的分子，一个人需要几分钟就能完成这一步。但是，为了构建具有潜在惊人效果的复杂结构，必须单独放置数千个复杂分子，然后对结果进行测试。这当然需要相对较长的时间。”

集成人工智能以提高精度

然而，扫描隧道显微镜同样可以由计算机控制。奥利弗·霍夫曼（Oliver Hofmann）的团队目前正尝试使用各种机器学习方法，让计算机系统独立地将分子放置在正确的位置。首先，使用人工智能（AI）方法计算出最佳方案，以呈现构建该结构最高效、最可靠的方法。然后，通过自学习AI算法控制探针尖端，根据方案精确放置分子。

霍夫曼（Hofmann）解释说：“以最高精度定位复杂分子是一个困难的过程，因为即使进行了尽可能好的控制，分子的排列也总是会受到一定程度的偶然因素影响。”研究人员将把这个条件概率因子整合到人工智能系统中，使其仍然能够可靠地发挥作用。

量子围栏的未来

研究人员使用由人工智能控制的扫描隧道显微镜（可24小时不间断工作），最终目标是构建所谓的量子围栏。这些量子围栏是门状的纳米结构，可用于捕获沉积其上的材料中的电子。随后，电子的波动特性将导致量子干涉，这可用于实际应用。迄今为止，量子围栏主要由单个原子构成。

奥利弗·霍夫曼（Oliver Hofmann）的团队现在想要用形状复杂的分子来制造它们：“我们的假设是，这将使我们能够构建更多样化的量子围栏，从而专门扩展它们的作用。”研究人员想利用这些更复杂的量子围栏来构建逻辑电路，从而从根本上研究它们在分子层面的工作原理。从理论上讲，这样的量子围栏有朝一日或许可用于制造计算机芯片。

协同研究与专家协同

对于这一为期五年的项目，研究小组正集合人工智能、数学、物理和化学领域的专业知识。来自信息安全研究所的贝蒂娜·柯尼霍弗负责开发机器学习模型。她的团队必须确保自学系统不会意外破坏它所构建的纳米结构。

来自应用数学研究所的尤西·贝尔恩德特将从理论上确定所要研发结构的基本特性，而来自理论物理研究所的马库斯·艾克霍恩将把这些预测转化为实际应用。来自格拉茨大学化学研究所的里昂哈德·格里尔主要负责扫描隧道显微镜的实际实验。