(Phys.org) - Les scientifiques ont construit de minuscules machines logiques à partir d'atomes uniques qui fonctionnent complètement différemment des dispositifs logiques conventionnels. Au lieu de s'appuyer sur le paradigme de commutation binaire comme celui utilisé par les transistors dans les ordinateurs d'aujourd'hui, les nouvelles machines logiques à l'échelle nanométrique simulent physiquement les problèmes et tirent parti du caractère aléatoire inhérent qui régit le comportement des systèmes physiques à l'échelle nanométrique, caractère aléatoire qui est généralement considéré comme un inconvénient.

L'équipe de chercheurs, Barbara Fresch et al., des universités en Belgique, Italie, Australie, Israël, et les États-Unis, ont publié un article sur les nouvelles machines logiques à l'échelle nanométrique dans un récent numéro de Lettres nano .

"Notre approche montre la possibilité d'une nouvelle classe de minuscules ordinateurs analogiques capables de résoudre des problèmes de calcul difficiles grâce à de simples algorithmes statistiques exécutés dans des dispositifs physiques à l'état solide à l'échelle nanométrique, " a déclaré la co-auteur Françoise Remacle à l'Université de Liège Phys.org .

Les nouvelles machines nanologiques sont constituées d'atomes de phosphore individuels qui sont positionnés avec précision et intégrés dans un cristal de silicium à une densité d'environ 200 milliards d'atomes par centimètre carré. Des électrons isolés entrent et sortent de manière aléatoire des atomes en raison de l'effet tunnel quantique. Puisque chaque atome peut contenir un ou deux de ces électrons, et chaque électron peut occuper plusieurs niveaux d'énergie différents, chaque atome peut occuper l'un des quatre états possibles. Chaque atome est constamment en transition entre ses quatre états selon un certain ensemble de probabilités, correspondant au mouvement aléatoire des électrons entrant et sortant de l'atome et modifiant leurs niveaux d'énergie.

Les chercheurs ont reconnu que cette image physique peut être utilisée pour simuler certains problèmes informatiques. Comme preuve de concept, ils ont examiné un exemple relativement simple impliquant le flux de visiteurs dans un labyrinthe composé de quatre pièces reliées par des portes. La tâche consiste à trouver la combinaison optimale de tarifs pour l'ouverture des portes afin de maximiser le temps que les visiteurs passent dans une pièce particulière.

Résoudre ce type de problème à l'aide de l'informatique conventionnelle demande un effort important, car il s'agit généralement d'analyser la dynamique des visiteurs dans le labyrinthe pour recueillir des informations avant de tenter d'optimiser les taux d'ouverture des portes.

Cependant, en utilisant les nouveaux dispositifs logiques, il est possible de trouver la solution plus directement car le problème est physiquement incarné par le "matériel" atomique lui-même. Pour ce problème particulier, la topologie du labyrinthe correspond aux états d'un atome, et le mouvement des visiteurs correspond à l'effet tunnel des électrons.

En utilisant la spectroscopie à effet tunnel, les chercheurs ont pu mesurer les taux d'effet tunnel d'électrons, et pourrait également contrôler ces taux en contrôlant la tension à la pointe du microscope ainsi que la distance entre la pointe et le substrat. Ainsi, le problème du labyrinthe devient un problème consistant à trouver la combinaison de tensions et de distances de pointe qui maximisent le temps pendant lequel un atome occupe un certain état.

En raison de la variabilité de la dynamique des électrons uniques, chaque atome a des propriétés de transport d'électrons légèrement différentes, ce qui signifie que certains atomes ont de meilleures valeurs optimales que d'autres. Si les atomes étaient utilisés comme dispositifs de commutation, comme les transistors, alors cette variabilité serait considérée comme un inconvénient car elle pourrait introduire une erreur. Mais ici, la variabilité devient un avantage car elle permet à des milliards de dispositifs logiques d'être comparés les uns aux autres pour déterminer quelles propriétés de transport d'électrons aident à maintenir l'atome dans un certain état le plus longtemps.

Les chercheurs s'attendent à ce que les résultats conduisent à des dispositifs logiques à l'échelle nanométrique capables de résoudre une grande variété de problèmes de complexité croissante, le tout en simulant directement les problèmes plutôt que de les recadrer comme des processus binaires.

"Les dispositifs nanométriques et moléculaires utilisés comme matériel pour la logique ont potentiellement de nombreux avantages, de la densité de compactage élevée et de la faible dissipation de puissance au nombre élevé d'états pouvant être utilisés pour coder les informations, " dit Remacle. " Cependant, leur dynamique est régie par la loi probabiliste en raison de la nature stochastique fondamentale des processus thermiquement activés et quantiques. L'application la plus simple consiste alors à utiliser des dispositifs à l'échelle nanométrique pour la mise en œuvre d'algorithmes probabilistes qui nécessitent une surcharge importante dans le matériel déterministe conventionnel. Par exemple, 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."

À l'avenir, 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. Expérimentalement, 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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