(Phys.org)—Gli scienziati hanno costruito minuscole macchine logiche con singoli atomi che funzionano in modo completamente diverso rispetto ai dispositivi logici convenzionali. Invece di fare affidamento sul paradigma di commutazione binaria come quello utilizzato dai transistor nei computer di oggi, le nuove macchine logiche su scala nanometrica simulano fisicamente i problemi e sfruttano la casualità intrinseca che governa il comportamento dei sistemi fisici su scala nanometrica, una casualità che di solito è considerata uno svantaggio.

Il team di ricercatori, Barbara Fresch et al., dalle università in Belgio, Italia, Australia, Israele, e gli Stati Uniti, hanno pubblicato un articolo sulle nuove macchine logiche su scala nanometrica in un recente numero di Nano lettere .

"Il nostro approccio mostra la possibilità di una nuova classe di minuscoli computer analogici in grado di risolvere problemi computazionalmente difficili mediante semplici algoritmi statistici eseguiti in dispositivi fisici a stato solido su scala nanometrica, " ha detto la coautrice Francoise Remacle dell'Università di Liegi Phys.org .

Le nuove macchine nanologiche sono costituite da singoli atomi di fosforo posizionati con precisione e incorporati in un cristallo di silicio a una densità di circa 200 miliardi di atomi per centimetro quadrato. I singoli elettroni si muovono casualmente dentro e fuori dagli atomi a causa del tunneling quantistico. Poiché ogni atomo può contenere uno o due di questi elettroni, e ogni elettrone può occupare diversi livelli di energia, ogni atomo può occupare uno dei quattro possibili stati. Ogni atomo è in costante transizione tra i suoi quattro stati secondo un certo insieme di probabilità, corrispondente al movimento casuale degli elettroni che entrano ed escono dall'atomo e cambiano i loro livelli di energia.

I ricercatori hanno riconosciuto che questa immagine fisica può essere utilizzata per simulare determinati problemi computazionali. Come prova di concetto, hanno guardato un esempio relativamente semplice che coinvolge il flusso di visitatori in un labirinto composto da quattro stanze collegate da porte. Il compito è trovare la combinazione ottimale di tariffe per l'apertura dei cancelli al fine di massimizzare il tempo che i visitatori trascorrono in una determinata stanza.

Risolvere questo tipo di problema utilizzando l'informatica convenzionale richiede uno sforzo significativo, poiché in genere comporta l'analisi delle dinamiche dei visitatori nel labirinto per raccogliere informazioni prima di tentare di ottimizzare i tassi di apertura dei cancelli.

Però, utilizzando i nuovi dispositivi logici, è possibile trovare la soluzione più direttamente perché il problema è fisicamente incarnato dall'"hardware" atomico stesso. Per questo particolare problema, la topologia del labirinto corrisponde agli stati di un atomo, e il movimento dei visitatori corrisponde al tunneling degli elettroni.

Utilizzando la spettroscopia a effetto tunnel di scansione, i ricercatori potrebbero misurare i tassi di tunneling degli elettroni, e potrebbe anche controllare queste velocità controllando la tensione alla punta del microscopio insieme alla distanza tra la punta e il substrato. Quindi il problema del labirinto diventa un problema di trovare la combinazione di tensioni e distanze di punta che massimizzano il tempo in cui un atomo occupa un certo stato.

A causa della variabilità della dinamica del singolo elettrone, ogni atomo ha proprietà di trasporto degli elettroni leggermente diverse, il che significa che alcuni atomi hanno valori ottimali migliori di altri. Se gli atomi fossero usati come dispositivi di commutazione, come i transistor, allora questa variabilità sarebbe considerata un inconveniente perché potrebbe introdurre errori. Ma qui la variabilità diventa un vantaggio perché consente di confrontare tra loro miliardi di dispositivi logici per determinare quali proprietà di trasporto degli elettroni aiutano a mantenere l'atomo in un certo stato per il tempo più lungo.

I ricercatori si aspettano che i risultati porteranno a dispositivi logici su scala nanometrica in grado di risolvere un'ampia varietà di problemi di complessità crescente, il tutto simulando direttamente i problemi piuttosto che riformulandoli come processi binari.

"I dispositivi su nanoscala e molecolari usati come hardware per la logica hanno potenzialmente molti vantaggi, dall'elevata densità di impacchettamento e dalla bassa dissipazione di potenza all'elevato numero di stati che possono essere utilizzati per codificare le informazioni, "Remacle ha detto. "Tuttavia, la loro dinamica è governata dalla legge probabilistica a causa della fondamentale natura stocastica dei processi quantistici e termicamente attivati. The most straightforward application is then to use nanoscale devices for the implementation of probabilistic algorithms that require significant overhead in conventional deterministic hardware. Per esempio, 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."

Nel futuro, 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. Sperimentalmente, 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."

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