納米級邏輯機將超越現有二進位計算範式

科學家已經用單個原子建造出了新型微型邏輯機，其運行原理與傳統邏輯器件完全不同。不同於如今計算機中晶體管對二進位轉換範式的依賴，新的納米級邏輯機能從物理上模擬問題，並利用在納米量級上物理系統固有的隨機性，而這種隨機性再之前通常被看做是一種缺點。

左圖為原子的四種狀態，對應著右圖迷宮中的四個房間。隧穿電子隨機進出原子的性質就像人在迷宮的不同房間之間走動一樣，能用來優化某些迷宮問題的解決方案。

由比利時、義大利、澳大利亞、以色列和美國大學研究者們組成了一支團隊，在最近一期《Nano Letters》上發表了一篇關於新型納米邏輯機的論文。

「我們的方法表明了建造一種新型微型模擬計算機的可能性，它可以通過在納米級固態物理器件中運行簡單的統計演算法，來解決一些計算難題。」論文共同作者之一，列日大學的Francoise Remacle說道。

新的納米級邏輯機由單獨的磷原子組成，這些原子的密度約為約200億個原子/平方厘米，他們位置精確地嵌入在硅晶體中。因為量子隧道效應地存在，單電子會隨機地移入和移出原子。由於每個原子可以容納這些電子中的一個或兩個，並且每個電子可以佔據不同的能級，因此每個原子總共有四種可能呈現出的狀態。對應於電子隧穿進入和離開原子並改變能級的隨機運動，每個原子會根據某種概率不斷地在其四個狀態間轉變。

研究人員認識到，這種物理狀態可以用於模擬某些計算問題。他們考慮了一個相對簡單的例子作為一種概念證明。這個例子中，遊客們在由四個房間組成的迷宮中不斷走動，房間之間由門相互連通。任務是找到開門速率的最佳組合，以便最大化訪客在一個特定房間中度過的時間。

使用常規計算來解決這類問題需要大量的工作，因為這通常涉及分析迷宮中遊客們的動態特性，因此在進行優化前需要收集大量的信息。。

而使用新的邏輯器件能使我們更直接地找到解決方案，因為問題在物理層面上由原子「硬體」本身體現。對於這個特定的問題，迷宮的拓撲對應原子的狀態，遊客的移動對應電子的隧穿。

使用掃描隧道光譜學，研究人員即可以測量電子發生穿隧效應的概率，也可以通過控制顯微鏡的尖端電壓與尖端和基板之間的距離來控制這些速率。因此，迷宮問題簡化成了找到電壓和尖端距離的組合的問題，需要做的只是讓原子佔據某一狀態的時間最大化。

由於單電子動力學的可變性，每個原子具有稍微不同的電子傳輸性質，這意味著一些原子具有比其他原子更好的最優值。如果將原子作為開關器件(如晶體管)，這種可變性會被認為是缺點，因為它可能引入誤差。但在這裡可變性成為一個優勢，因為它允許數十億的邏輯設備相互比較，以確定哪些電子傳輸屬性能幫助原子在一個特定的狀態保持最長時間。

研究人員期望結果將使得納米級邏輯器件能解決日益複雜的各種問題——所有這些都通過直接模擬問題來解決，而不是將它們重構成二進位問題，然後再來進行計算。

「用作邏輯硬體的納米級分子器件具有許多潛在優點，從高封裝密度和低功耗，到可用於編碼信息的大量狀態的特性，」Remacle說道，「然而，由於熱激活和量子過程基本的隨機性質，它們的動力學由概率法則決定。

最直接的應用，是使用納米級器件實現在常規硬體中需大量運算資源的概率演算法。例如，僅僅從概率分布中採樣偽隨機數在現代計算機上需要數百個指令，而在真實隨機時間下的電子穿隧效應則是自然的過程。

在未來，研究人員計劃設計其他類型的納米器件，而它的實施將需要以極高的精度定位組件。

「在理論方面，我們將繼續開發針對納米尺度和分子系統物理學定製的不同信息處理範例，並且將特別注意由於其量子性質帶來的潛力，」Remacle說道，「而在實驗方面，最大的挑戰是以原子精度實現對硅基質中摻雜原子位置的完全控制，並且設計其運輸特性。」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！