Forskere opdager en valleytronics-rute mod reversibel computer

I mange todimensionelle (2-D) materialer, elektroner har ikke kun ladning og spin, men udviser yderligere et usædvanligt kvantetræk. Elektroner, der findes i mange 2-D materialer, kan leve i veladskilte energiminima, og "adressen", der beskriver, hvilket minimum disse elektroner tilhører, er kendt som "dalen". Brugen af ​​denne "daladresse" til at kode og behandle information danner kernen i et nyt pulserende forskningsfelt kendt som "valleytronics".

På trods af megen forventning om valleytronics som en kandidat til 'beyond CMOS'-teknologi og for at fortsætte arven fra Moores lov, dets fremskridt er alvorligt hæmmet af manglen på praktiske designs til en valleytronic-baseret informationsbehandlingsenhed. En stor udfordring inden for valleytronics er konstruktionen af ​​et "dalfilter", der kan producere elektrisk strøm, der dominerende består af elektroner fra kun én specifik dal. Det fungerer som en grundlæggende byggesten i valleytronics.

Ved at udnytte de usædvanlige elektriske egenskaber af 2-D materialer, såsom få-lags sort fosfor og topologiske Weyl/Dirac semimetall tynde film, forskere fra Singapore University of Technology and Design (SUTD) designet en alsidig, helelektrisk styret dalfilter og demonstrerede et konkret fungerende design af en valleytronic logisk gate, der er i stand til at udføre det fulde sæt af to-input booleske logikker.

"Et særligt bemærkelsesværdigt fund er en tidligere uudforsket tilgang til at opnå logisk reversibel beregning ved at lagre information i elektronens daltilstand, " sagde førsteforfatter Dr. Yee Sin Ang fra SUTD.

Konventionelle digitale computere behandler information på en logisk irreversibel måde. Dette fører til et alvorligt logisk problem - ved modtagelse af et beregningsoutput, en slutbruger kan ikke entydigt identificere den originale inputinformation, der producerer dette output.

At gøre digital computing logisk reversibel er ikke kun interessant med hensyn til grundlæggende informationsvidenskab, men har også brede anvendelser inden for områder som kryptografi, signal- og billedbehandling, kvanteberegning, og er i sidste ende påkrævet for at forbedre energieffektiviteten af ​​digitale computere ud over den termodynamiske flaskehals også kendt som Landauers grænse. På grund af dets enorme potentiale, enorme forskningsindsatser er blevet afsat til at søge efter en praktisk reversibel computer siden 1970'erne.

Den traditionelle måde at lave en logisk reversibel computer på er stærkt afhængig af komplekse kredsløb, der uundgåeligt genererer store mængder af spildte bits. Disse komplekse og spildte metoder har forhindret reversibel databehandling i at få udbredte industrielle og kommercielle interesser.

Nøglenyheden ved den valleytronic-baserede reversible logiske gate foreslået af SUTD-forskere er, at enheden gemmer yderligere bits af inputinformation i daltilstanden af ​​det beregningsmæssige output for at opnå logisk reversibilitet. Denne valleytronic-tilgang omgår behovet for komplekse kredsløb og reducerer dannelsen af ​​spildbits markant. En sådan enkel arkitektur er også mere kompatibel med de stadigt voksende industrielle og kommercielle krav til kompakte smartenheder med stadigt mindre fysiske størrelser.

Medforfatter og hovedforsker af denne forskning, SUTD Prof Ricky Ang, sagde:"The Union of Valleytronics, digital informationsbehandling og reversibel databehandling kan give et nyt paradigme mod fremtiden for en ultimativ energieffektiv computer med nye funktioner."