Nanoskala logiske maskiner går ud over binær databehandling

(Phys.org) – Forskere har bygget små logiske maskiner ud af enkelte atomer, der fungerer helt anderledes end konventionelle logiske enheder. I stedet for at stole på det binære koblingsparadigme som det, der bruges af transistorer i nutidens computere, de nye logiske maskiner i nanoskala simulerer fysisk problemerne og drager fordel af den iboende tilfældighed, der styrer fysiske systemers adfærd på nanoskalaen - tilfældighed, der normalt betragtes som en ulempe.

Holdet af forskere, Barbara Fresch et al., fra universiteter i Belgien, Italien, Australien, Israel, og USA, har udgivet et papir om de nye logiske maskiner i nanoskala i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

"Vores tilgang viser muligheden for en ny klasse af bittesmå analoge computere, der kan løse beregningsmæssige vanskelige problemer ved hjælp af simple statistiske algoritmer, der kører i nanoskala solid-state fysiske enheder, " fortalte medforfatter Francoise Remacle ved University of Liege Phys.org .

De nye nanologiske maskiner består af individuelle fosforatomer, der er præcist placeret og indlejret i en siliciumkrystal med en tæthed på omkring 200 milliarder atomer pr. kvadratcentimeter. Enkelte elektroner bevæger sig tilfældigt ind og ud af atomerne på grund af kvantetunnelering. Da hvert atom kan indeholde en eller to af disse elektroner, og hver elektron kan optage et par forskellige energiniveauer, hvert atom kan indtage en af ​​fire mulige tilstande. Hvert atom skifter konstant mellem dets fire tilstande i henhold til et bestemt sæt sandsynligheder, svarende til den tilfældige bevægelse af elektroner, der tunnelerer ind og ud af atomet og ændrer deres energiniveauer.

Forskerne erkendte, at dette fysiske billede kan bruges til at simulere visse beregningsmæssige problemer. Som et proof-of-concept, de så på et relativt simpelt eksempel, der involverede strømmen af ​​besøgende i en labyrint bestående af fire rum forbundet med porte. Opgaven er at finde den optimale kombination af priser for at åbne portene for at maksimere den tid, som besøgende tilbringer i et bestemt rum.

At løse denne type problemer ved hjælp af konventionel databehandling kræver en betydelig indsats, da det typisk involverer at analysere dynamikken hos besøgende i labyrinten for at indsamle information, før man forsøger at optimere hastigheden af ​​portåbningerne.

Imidlertid, ved at bruge de nye logiske enheder, det er muligt at finde løsningen mere direkte, fordi problemet fysisk er legemliggjort af den atomare "hardware" selv. For dette særlige problem, labyrintens topologi svarer til et atoms tilstande, og besøgendes bevægelse svarer til elektronernes tunnelering.

Ved hjælp af scanning tunneling spektroskopi, forskerne kunne måle elektrontunneleringshastighederne, og kunne også kontrollere disse hastigheder ved at styre spændingen til spidsen af ​​mikroskopet sammen med afstanden mellem spidsen og substratet. Så labyrintproblemet bliver et problem med at finde kombinationen af ​​spændinger og spidsafstande, der maksimerer den tid, et atom indtager en bestemt tilstand.

På grund af variabiliteten af ​​enkelt-elektrons dynamik, hvert atom har lidt forskellige elektrontransportegenskaber, hvilket betyder, at nogle atomer har bedre optimale værdier end andre. Hvis atomerne blev brugt som koblingsenheder, som transistorer, så ville denne variabilitet blive betragtet som en ulempe, fordi den kunne introducere fejl. Men her bliver variabiliteten en fordel, fordi den gør det muligt at sammenligne milliarder af logiske enheder mod hinanden for at bestemme, hvilke elektrontransportegenskaber, der hjælper med at holde atomet i en bestemt tilstand i længst tid.

Forskerne forventer, at resultaterne vil føre til logiske enheder i nanoskala, der er i stand til at løse en lang række problemer med stigende kompleksitet - alt sammen ved direkte at simulere problemerne i stedet for at omformulere dem som binære processer.

"Nanoskala og molekylære enheder brugt som hardware til logik har potentielt mange fordele, fra høj pakningstæthed og lavt strømforbrug til det høje antal tilstande, der kan bruges til at kode information, " sagde Remacle. "Men, deres dynamik er styret af probabilistisk lov på grund af den grundlæggende stokastiske natur af termisk aktiverede og kvanteprocesser. Den mest ligetil applikation er så at bruge nanoskalaenheder til implementering af probabilistiske algoritmer, der kræver betydelig overhead i konventionel deterministisk hardware. For eksempel, den blotte sampling af et pseudo-tilfældigt tal fra en sandsynlighedsfordeling kræver hundredvis af instruktioner på en moderne computer, mens elektrontunnelering på virkelig tilfældige tidspunkter er en naturlig proces."

I fremtiden, forskerne planlægger at designe andre typer nanologiske enheder, hvis implementering vil kræve placering af komponenterne med ekstrem præcision.

"On the theoretical side, we will continue to develop different information processing paradigms tailored on the physics of nanoscale and molecular systems, with special attention to potentialities emerging from their quantum nature, " Remacle said. "This is a fundamental effort for turning into useful technologies the increased ability to control and manipulate the matter at the nanoscale. Eksperimentelt, the biggest challenge is to achieve full control of the position of dopant atoms in the silicon matrix with atomic precision and the design of their transport characteristics."

© 2017 Phys.org