Tohoku University-onderzoekers hebben, Voor de eerste keer, ontwikkelde de technologie voor de nanoseconde werking van de op spintronica gebaseerde probabilistische bit (p-bit) - ook wel "de kwantumbit van de arme" (q-bit) genoemd.

Wijlen natuurkundige R.P. Feynman stelde zich een probabilistische computer voor die in staat is om op grote schaal om te gaan met waarschijnlijkheden om efficiënt computergebruik mogelijk te maken. "Met behulp van spintronica, onze nieuwste technologie heeft de eerste stap gezet in het realiseren van Feynman's visie, " zei Shun Kanai, professor aan het Research Institute of Electrical Communication aan de Tohoku University en hoofdauteur van de studie.

Magnetische tunnelovergangen (MTJ's) zijn het belangrijkste onderdeel van niet-vluchtig geheugen of MRAM, een in massa geproduceerde geheugentechnologie die magnetisatie gebruikt om informatie op te slaan. Daar, thermische fluctuatie vormt doorgaans een bedreiging voor de stabiele opslag van informatie.

P-bits, anderzijds, functioneren met deze thermische fluctuaties in thermisch onstabiele (stochastische) MTJ's. Voorafgaand gezamenlijk onderzoek tussen Tohoku University en Purdue University toonde een op spintronica gebaseerde probabilistische computer bij kamertemperatuur aan, bestaande uit stochastische MTJ's met millisecondenlange relaxatietijden.

Om probabilistische computers een levensvatbare technologie te maken, het is noodzakelijk om stochastische MTJ's te ontwikkelen met veel kortere relaxatietijden die de fluctuatietijdschaal van de p-bit verminderen. Dit zou de rekensnelheid/nauwkeurigheid effectief verhogen.

De onderzoeksgroep van Tohoku University, bestaande uit Kanai, professor Hideo Ohno (de huidige president van Tohoku University), en professor Shunsuke Fukami, produceerde een MTJ-apparaat op nanoschaal met een magnetische gemakkelijke as in het vlak (figuur 1). De magnetisatierichting wordt gemiddeld elke 8 nanoseconden bijgewerkt - 100 keer sneller dan het vorige wereldrecord (Fig 2).

De groep legde het mechanisme van deze extreem korte relaxatietijd uit door gebruik te maken van entropie - een fysieke grootheid die wordt gebruikt om de stochasticiteit weer te geven van systemen die voorheen niet in aanmerking waren genomen voor magnetisatiedynamica. Afleiden van een universele vergelijking die de entropie in magnetisatiedynamica regelt, ze ontdekten dat de entropie snel toeneemt in MTJ's met een gemakkelijke as in het vlak met grotere magnitudes van loodrechte magnetische anisotropie. De groep gebruikte opzettelijk een magnetische easy-as in het vlak om kortere relaxatietijden te bereiken.

"De ontwikkelde MTJ is compatibel met de huidige back-end-of-line-processen van halfgeleiders en is veelbelovend voor de toekomstige realisatie van krachtige probabilistische computers, " voegde Kanai toe. "Ons theoretisch raamwerk van magnetisatiedynamiek, inclusief entropie, heeft ook een brede wetenschappelijke implicatie, uiteindelijk het potentieel van spintronica laten zien om bij te dragen aan discutabele kwesties in de statistische fysica."