Quand deux solitons se rencontrent, ils changent de type, suivant un système quaternaire composé de quatre nombres seulement :-1, 0, 1 et 2. Dans ce cas, un soliton -1 rencontre un soliton 2 pour former un soliton 1. Crédit :IBS
Inévitablement, chaque information numérique que nous envoyons dans le monde entier est susceptible d'être perdue. Parcourir de longs chemins en fils, le signal initial se désintègre et se disperse en entrant en collision avec des impuretés et des champs électromagnétiques voisins. Par conséquent, au-delà de chaque bit de votre message souhaité, il est nécessaire d'envoyer d'autres informations cachées qui vérifient les erreurs et prennent des mesures en cas de pertes ; tandis que les appareils deviennent de plus en plus petits, cette question devient plus importante. Scientifiques du Centre d'électronique artificielle à basse dimension (CALDES), au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) visent à trouver des moyens innovants pour parvenir à une transmission plus stable de l'information. L'un de leurs intérêts de recherche porte sur les paquets d'ondes solitaires auto-renforcés appelés solitons, qui sont stables quel que soit l'environnement. Dans leur article le plus récent, ils ont démontré que les solitons peuvent être manipulés et ont expliqué comment les utiliser pour des opérations logiques. Leurs expériences et modèles sont publiés dans Physique de la nature et ouvrir la voie à un nouveau domaine de l'électronique :la solitonique.
Les physiciens savent qu'une solution possible au problème de l'atténuation du signal ou du bruit en raison d'interférences externes peut provenir d'un concept mathématique appelé topologie. Elle est liée à des propriétés qui ne sont pas affectées par un changement de forme. Par exemple, Croyez-le ou non, une bille et un crayon sont topologiquement les mêmes, mais différent d'un beignet. Ceci est dû au fait, avec un peu d'imagination, vous pouvez modeler la boule dans la forme du crayon. Cependant, quand tu fais un trou dans la balle, il devient un objet topologique totalement différent. Les trous définissent l'état topologique, ils peuvent se déplacer dans le matériau, mais leur nombre ne change pas même en présence de forces de poussée et de traction. Un concept similaire pourrait être utilisé en informatique pour protéger le flux d'informations des interférences externes et des impuretés et garantir sa stabilité sur de plus longues distances et dans le temps. Cela ressemble à une propriété incroyable mais, paradoxalement, c'est aussi son propre plus grand ennemi :les informations transmises sont trop stables, d'une manière qu'il est en fait trop difficile à modifier et à utiliser. Cela semblait être la triste fin de l'histoire, jusqu'à ce que les scientifiques de l'IBS démontrent un moyen de manipuler le signal transmis et éventuellement de l'appliquer à l'électronique moderne.
L'un des composants clés de la physique du système topologique est le soliton, un paquet d'énergie d'onde solitaire extrêmement stable, qui se déplace à travers certains matériaux 1D sans perdre sa forme et son énergie, un peu comme une vague de tsunami. Les scientifiques ont commencé à étudier les solitons topologiques dans les années 80, mais ont été dissuadés par l'apparente impossibilité de les manipuler.
L'année dernière, Les scientifiques d'IBS ont exploré les propriétés des solitons sur une double chaîne d'atomes d'indium placés au sommet d'une surface de silicium et ils ont découvert que les solitons pouvaient exister sous trois formes. « Au sens topologique, c'est comme avoir un beignet avec beaucoup de trous, où chaque trou peut être de trois formes différentes correspondant aux trois types de solitons, " explique YEOM Han Woong, le principal auteur de cette étude. "Les physiciens travaillaient avec des solitons (trous) du même type et les opérations que vous pouviez faire avec eux étaient limitées, mais maintenant nous avons une plus grande chance de jouer avec eux."
Alors que le code binaire utilisé dans nos ordinateurs actuels est composé de 0 et de 1. Un système quaternaire, comme celui proposé par les scientifiques de l'IBS, se compose de quatre chiffres (0, 1, 2 et -1) et permettrait plus d'opérations. Les chercheurs ont modélisé la dépendance aux solitons. Par exemple, un soliton représenté par le chiffre 2, et un autre représenté par le chiffre 1 peut être ajouté pour former un nouveau soliton (n. -1). En effet, dans ce système à 4 bases, 2+1 fait -1, et il est facile de comprendre pourquoi si vous imaginez un petit "jeu de l'oie" circulaire où vous vous déplacez dans le sens des aiguilles d'une montre (ou dans le sens inverse) selon le nombre que vous obtenez en lançant un dé à quatre faces contenant les chiffres 0, 1, 2 et -1. Si vous êtes dans la case n. 2 et vous obtenez n. 1 sur les dés, vous allez atteindre le carré -1. Crédit :IBS
Dans cette nouvelle étude, Yeom et son équipe ont prouvé, expérimentalement, que la commutation entre ces solitons est possible. Ils ont observé que lorsque deux solitons se rencontrent, ils donnent un soliton différent, en d'autres termes, ils ont découvert que les solitons peuvent être transformés, et pourtant rester à l'abri des défauts du milieu. "Jusqu'à présent, les solitons ne pouvaient être créés ou détruits que par paires, aucune autre manipulation n'était possible, mais nous avons montré que ces solitons peuvent être commutés de l'un à l'autre, et même utilisé pour des opérations logiques", continue Yeom.
Ces trois types de solitons peuvent également être représentés par des chiffres (1, -1 et 2) et la condition sans solitons égale à zéro (0), créer un système mathématique quaternaire. Les quatre chiffres peuvent ensuite être utilisés pour des calculs mathématiques.
Systèmes à chiffres quaternaires, et les systèmes à plusieurs chiffres en général, ont plusieurs avantages par rapport au binaire (0, 1) système que nous utilisons actuellement. Ils permettent plus d'opérations et de stockage d'informations dans moins d'espace et ils pourraient nous rapprocher des appareils de type cerveau, qui imitent la façon dont les informations sont calculées et stockées par nos circuits neuronaux.
Ouvrir un nouveau domaine de l'électronique, surnommés solitoniques, Les scientifiques d'IBS imaginent des dispositifs informatiques de nouvelle génération qui combinent silicium et solitons. "Nous utilisons des solitons voyageant dans des atomes d'indium sur une surface de silicium, et on imagine que cette structure qui pourrait être implémentée dans les dispositifs silicium actuels, créer des systèmes hybrides, " explique KIM Tae-Hwan, premier auteur de cette étude.
