(Phys.org) —Forskare har byggt små logiska maskiner av enstaka atomer som fungerar helt annorlunda än konventionella logiska enheter gör. Istället för att förlita sig på det binära omkopplingsparadigmet som det används av transistorer i dagens datorer, de nya nanoskala -logikmaskinerna simulerar fysiskt problemen och drar nytta av den inneboende slumpmässighet som styr beteendet hos fysiska system på nanoskala - slumpmässighet som vanligtvis anses vara en nackdel.

Forskargruppen, Barbara Fresch et al., från universitet i Belgien, Italien, Australien, Israel, och USA, har publicerat ett papper om de nya nanoskala -logikmaskinerna i ett senaste nummer av Nano bokstäver .

"Vårt tillvägagångssätt visar möjligheten för en ny klass med små analoga datorer som kan lösa beräkningssvåriga problem med enkla statistiska algoritmer som körs i fysiska enheter i nanoskala, "berättade medförfattaren Francoise Remacle vid universitetet i Liège Phys.org .

De nya nanologiska maskinerna består av individuella fosforatomer som är exakt placerade och inbäddade i en kiselkristall med en densitet av cirka 200 miljarder atomer per kvadratcentimeter. Enkla elektroner rör sig slumpmässigt in och ut ur atomerna på grund av kvanttunnel. Eftersom varje atom kan hålla en eller två av dessa elektroner, och varje elektron kan uppta några olika energinivåer, varje atom kan uppta ett av fyra möjliga tillstånd. Varje atom övergår ständigt mellan sina fyra tillstånd enligt en viss uppsättning sannolikheter, motsvarande den slumpmässiga rörelsen för elektroner som tunnlar in och ut ur atomen och ändrar deras energinivåer.

Forskarna insåg att denna fysiska bild kan användas för att simulera vissa beräkningsproblem. Som ett bevis på konceptet, de tittade på ett relativt enkelt exempel som involverade flödet av besökare i en labyrint bestående av fyra rum anslutna med portar. Uppgiften är att hitta den optimala kombinationen av priser för att öppna portarna för att maximera tiden som besökare spenderar i ett visst rum.

Att lösa denna typ av problem med hjälp av konventionell databehandling kräver en betydande ansträngning, eftersom det vanligtvis innebär att man analyserar dynamiken hos besökare i labyrinten för att samla information innan man försöker optimera hastigheterna på portöppningarna.

Dock, använder de nya logiska enheterna, det är möjligt att hitta lösningen mer direkt eftersom problemet fysiskt förkroppsligas av själva atom "hårdvaran". För detta specifika problem, labyrintens topologi motsvarar en atoms tillstånd, och besökarnas rörelse motsvarar elektronernas tunneling.

Med hjälp av skanningstunnelspektroskopi, forskarna kunde mäta elektrontunnelhastigheterna, och skulle också kunna styra dessa hastigheter genom att styra spänningen till mikroskopets spets tillsammans med avståndet mellan spetsen och substratet. Så labyrintproblemet blir ett problem med att hitta kombinationen av spänningar och spetsavstånd som maximerar tiden en atom upptar ett visst tillstånd.

På grund av variationen i en-elektrondynamik, varje atom har något olika elektrontransportegenskaper, vilket innebär att vissa atomer har bättre optimala värden än andra. Om atomerna användes som omkopplare, som transistorer, då skulle denna variabilitet betraktas som en nackdel eftersom den kan införa fel. Men här blir variationen en fördel eftersom den gör att miljarder logiska enheter kan jämföras med varandra för att avgöra vilka elektrontransportegenskaper som hjälper till att hålla atomen i ett visst tillstånd under den längsta tiden.

Forskarna förväntar sig att resultaten kommer att leda till nanoskala logiska enheter som kan lösa en mängd olika problem med ökande komplexitet - allt genom att direkt simulera problemen snarare än att omforma dem som binära processer.

"Nanoskala och molekylära enheter som används som hårdvara för logik har potentiellt många fördelar, från hög packningstäthet och låg effektförlust till det höga antalet tillstånd som kan användas för att koda information, "Remacle sa." Men deras dynamik styrs av probabilistisk lag på grund av den grundläggande stokastiska naturen hos termiskt aktiverade och kvantprocesser. The most straightforward application is then to use nanoscale devices for the implementation of probabilistic algorithms that require significant overhead in conventional deterministic hardware. Till exempel, the mere sampling a pseudo-random number from a probability distribution requires hundreds of instructions on a modern computer while electron tunneling at truly random times is a natural process."

I framtiden, the researchers plan to design other types of nanologic devices, 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. Experimentally, 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