(Phys.org) — Wetenschappers hebben kleine logische machines gebouwd van enkele atomen die totaal anders werken dan conventionele logische apparaten. In plaats van te vertrouwen op het binaire schakelparadigma zoals dat wordt gebruikt door transistors in hedendaagse computers, de nieuwe logische machines op nanoschaal simuleren de problemen fysiek en profiteren van de inherente willekeur die het gedrag van fysieke systemen op nanoschaal bepaalt - willekeur die meestal als een nadeel wordt beschouwd.

Het team van onderzoekers, Barbara Fresch et al., van universiteiten in België, Italië, Australië, Israël, en de VS, hebben een artikel gepubliceerd over de nieuwe logische machines op nanoschaal in een recent nummer van: Nano-letters .

"Onze benadering toont de mogelijkheid aan van een nieuwe klasse van kleine analoge computers die rekenkundig moeilijke problemen kunnen oplossen door eenvoudige statistische algoritmen die worden uitgevoerd in solid-state fysieke apparaten op nanoschaal, " vertelde co-auteur Francoise Remacle aan de Universiteit van Luik Phys.org .

De nieuwe nanologische machines bestaan ​​uit individuele fosforatomen die nauwkeurig zijn gepositioneerd en ingebed in een siliciumkristal met een dichtheid van ongeveer 200 miljard atomen per vierkante centimeter. Enkele elektronen bewegen willekeurig in en uit de atomen vanwege kwantumtunneling. Aangezien elk atoom één of twee van deze elektronen kan bevatten, en elk elektron kan een paar verschillende energieniveaus innemen, elk atoom kan een van de vier mogelijke toestanden innemen. Elk atoom wisselt voortdurend tussen zijn vier toestanden volgens een bepaalde reeks waarschijnlijkheden, overeenkomend met de willekeurige beweging van elektronen die in en uit het atoom tunnelen en hun energieniveaus veranderen.

De onderzoekers erkenden dat dit fysieke beeld kan worden gebruikt om bepaalde rekenproblemen te simuleren. Als proof-of-concept, ze keken naar een relatief eenvoudig voorbeeld van de stroom bezoekers in een doolhof dat bestaat uit vier kamers die door poorten met elkaar verbonden zijn. De taak is om de optimale combinatie van tarieven te vinden voor het openen van de poorten om de tijd die bezoekers in een bepaalde ruimte doorbrengen te maximaliseren.

Het oplossen van dit soort problemen met conventionele computers vereist een aanzienlijke hoeveelheid inspanning, omdat het meestal gaat om het analyseren van de dynamiek van bezoekers in het doolhof om informatie te verzamelen voordat wordt geprobeerd de snelheden van de poortopeningen te optimaliseren.

Echter, met behulp van de nieuwe logische apparaten, het is mogelijk om de oplossing directer te vinden omdat het probleem fysiek wordt belichaamd door de atomaire "hardware" zelf. Voor dit specifieke probleem de topologie van het doolhof komt overeen met de toestanden van een atoom, en de beweging van bezoekers komt overeen met het tunnelen van de elektronen.

Met behulp van scanning tunneling spectroscopie, de onderzoekers konden de elektronentunneling-snelheden meten, en zou deze snelheden ook kunnen regelen door de spanning naar de punt van de microscoop samen met de afstand tussen de punt en het substraat te regelen. Dus het doolhofprobleem wordt een probleem van het vinden van de combinatie van spanningen en tipafstanden die de tijd maximaliseren dat een atoom een ​​bepaalde toestand inneemt.

Vanwege de variabiliteit van de dynamiek van één elektron, elk atoom heeft iets andere elektronentransporteigenschappen, wat betekent dat sommige atomen betere optimale waarden hebben dan andere. Als de atomen werden gebruikt als schakelapparaten, zoals transistoren, dan zou deze variabiliteit als een nadeel worden beschouwd omdat het een fout zou kunnen introduceren. Maar hier wordt de variabiliteit een voordeel omdat het miljarden logische apparaten met elkaar kan vergelijken om te bepalen welke elektronentransporteigenschappen helpen het atoom het langst in een bepaalde toestand te houden.

De onderzoekers verwachten dat de resultaten zullen leiden tot logische apparaten op nanoschaal die in staat zijn om een ​​breed scala aan problemen van toenemende complexiteit op te lossen - allemaal door de problemen direct te simuleren in plaats van ze te herformuleren als binaire processen.

"Nanoschaal en moleculaire apparaten die worden gebruikt als hardware voor logica hebben potentieel veel voordelen, van hoge pakkingsdichtheid en lage vermogensdissipatie tot het grote aantal toestanden dat kan worden gebruikt om informatie te coderen, "Zei Remacle. "Echter, hun dynamiek wordt bepaald door de probabilistische wet vanwege de fundamentele stochastische aard van thermisch geactiveerde en kwantumprocessen. De eenvoudigste toepassing is dan om apparaten op nanoschaal te gebruiken voor de implementatie van probabilistische algoritmen die aanzienlijke overhead vereisen in conventionele deterministische hardware. Bijvoorbeeld, het louter bemonsteren van een pseudo-willekeurig getal uit een kansverdeling vereist honderden instructies op een moderne computer, terwijl elektronentunneling op echt willekeurige tijden een natuurlijk proces is."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om andere soorten nanologische apparaten te ontwerpen, whose implementation will require positioning the components with extreme precision.

"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. Experimenteel, 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 Fys.org