新的納米邏輯機(jī)包含了獨(dú)立的磷原子，它們被精確定位并嵌入在密度為每平方厘米2000億個(gè)原子的硅晶體之中。
一個(gè)包含了來自比利時(shí)、意大利、澳大利亞、以色列和美國(guó)的科學(xué)家所組成的研究團(tuán)隊(duì)，稍早前在《Nano Letters》上發(fā)表了新的納米級(jí)邏輯機(jī)的研究成果。與當(dāng)前計(jì)算機(jī)以二進(jìn)制為主的晶體管不同，新的納米級(jí)邏輯機(jī)能物理性地模擬問題，并利用在納米尺度上控制物理系統(tǒng)行為的隨機(jī)特性──過去這種內(nèi)在隨機(jī)性都被視為一種缺陷。
圖：四個(gè)原子狀態(tài)（左）對(duì)應(yīng)于四個(gè)復(fù)雜的空間（右）。單一電子會(huì)由于量子穿隧效應(yīng)而隨機(jī)進(jìn)出原子，用于模擬游客在迷宮房間內(nèi)的移動(dòng)情況，可優(yōu)化某些迷宮問題的解決方案。（來源：Barbara Fresch等研究人員／美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)）
據(jù)知名科技網(wǎng)站Phys.org報(bào)導(dǎo)，參與這項(xiàng)研究的比利時(shí)列日大學(xué)科學(xué)家Francoise Remacle透露其研究成果展現(xiàn)了運(yùn)用全新微型模擬計(jì)算機(jī)，通過運(yùn)行在納米級(jí)固態(tài)物理設(shè)備上的簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)
算法來解決困難的計(jì)算問題的可能性。
新的納米邏輯機(jī)包含了獨(dú)立的磷原子，它們被精確定位并嵌入在密度為每平方厘米2000億個(gè)原子的硅晶體之中。單一電子會(huì)由于量子穿隧效應(yīng)而隨機(jī)進(jìn)出原子。由于每個(gè)原子可容納1~2個(gè)電子，加上每個(gè)電子都能呈現(xiàn)幾個(gè)不同的能級(jí)，因而每個(gè)原子都能出現(xiàn)四種可能的狀態(tài)之一。每個(gè)原子都根據(jù)不同的概率轉(zhuǎn)換四種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)原子中的隨機(jī)電子穿隧進(jìn)出情況改變其能級(jí)。
研究人員發(fā)現(xiàn)這種物理現(xiàn)像可用來模擬某些計(jì)算問題。他們舉了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來證實(shí)這個(gè)概念：在四個(gè)相連的房間組成的迷宮中的游客路徑，其任務(wù)是找到打開大門的最佳組合概率，以最大限度地提高游客花在一個(gè)特定房間內(nèi)的時(shí)間。
傳統(tǒng)計(jì)算方法需要很大工作量才能解決這種類型的問題，因?yàn)檫@個(gè)任務(wù)涉及到游客在迷宮中的動(dòng)態(tài)信息收集和分析，而后才會(huì)嘗試優(yōu)化大門的打開機(jī)率。
而新的邏輯單元能以更直接的方式找到解決方案，因?yàn)樵搯栴}物理上是由原子“硬件”本身所體現(xiàn)。針對(duì)這個(gè)特定問題，迷宮的拓樸結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于原子狀態(tài)，而游客的動(dòng)態(tài)則對(duì)應(yīng)于電子的穿隧效應(yīng)。
使用掃描穿隧顯微鏡，研究人員能夠量測(cè)電子穿隧率，它們還可以通過控制沿著顯微鏡探針到襯底之間距離的探針電壓來控制電子穿隧率。因而迷宮問題就成為了設(shè)法找到電壓和探針距離組合，以最大化原子呈現(xiàn)某種狀態(tài)的時(shí)間。
由于單一電子動(dòng)態(tài)的變化，每個(gè)原子都具有稍微不同的電子傳輸特性，這意味著某些原子會(huì)比其他原子擁有更好的最佳值。如果將原子用作開關(guān)器件，如晶體管，那么這種變異將被視為一種缺陷，因?yàn)樗赡軙?huì)引發(fā)錯(cuò)誤。但在這里其可變性卻由于它允許數(shù)十億個(gè)邏輯器件做比較以確定哪些電子傳輸特性有助于維持原子在特定狀態(tài)下更長(zhǎng)時(shí)間而變成一種優(yōu)勢(shì)。
科學(xué)家們預(yù)計(jì)未來納米級(jí)邏輯器件將具備解決各種復(fù)雜問題的能力，因?yàn)樗鼈兪侵苯幽M問題，而非以二進(jìn)制來做處理。
Remacle表示，納米級(jí)和分子器件作為硬件邏輯具有很多優(yōu)勢(shì)，如更高的封裝密度、更低功耗或可用于編碼信息的狀態(tài)更多等。然而，由于熱激活和量子過程的基本隨機(jī)特性，其活動(dòng)是由概率所決定。在傳統(tǒng)硬件中，要實(shí)現(xiàn)概率算法來做最簡(jiǎn)單的應(yīng)用仍需要很大開銷。舉例來說，僅僅從概率分布中抽取一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中需要數(shù)百條指令才能完成，而采取真正隨機(jī)時(shí)間的電子穿隧則是更加自然的處理過程。
未來研究人員計(jì)劃開發(fā)其他種類的納米邏輯裝置，但要實(shí)現(xiàn)將需要極精確地定位部件。
Remacle進(jìn)一步指出，理論上研究人員將持續(xù)開發(fā)針對(duì)不同信息處理范式量身定制的納米和分子系統(tǒng)，但最大挑戰(zhàn)在于以原子級(jí)精度完全控制硅基體中摻雜原子的位置，以及如何就其傳輸特性做設(shè)計(jì)。
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