新的納米邏輯機包含了獨立的磷原子，它們被精確定位并嵌入在密度為每平方厘米2000億個原子的硅晶體之中。
一個包含了來自比利時、意大利、澳大利亞、以色列和美國的科學家所組成的研究團隊，稍早前在《Nano Letters》上發(fā)表了新的納米級邏輯機的研究成果。與當前計算機以二進制為主的晶體管不同，新的納米級邏輯機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)行為的隨機特性──過去這種內(nèi)在隨機性都被視為一種缺陷。
圖：四個原子狀態(tài)（左）對應于四個復雜的空間（右）。單一電子會由于量子穿隧效應而隨機進出原子，用于模擬游客在迷宮房間內(nèi)的移動情況，可優(yōu)化某些迷宮問題的解決方案。（來源：Barbara Fresch等研究人員／美國化學學會）
據(jù)知名科技網(wǎng)站Phys.org報導，參與這項研究的比利時列日大學科學家Francoise Remacle透露其研究成果展現(xiàn)了運用全新微型模擬計算機，通過運行在納米級固態(tài)物理設備上的簡單統(tǒng)計
算法來解決困難的計算問題的可能性。
新的納米邏輯機包含了獨立的磷原子，它們被精確定位并嵌入在密度為每平方厘米2000億個原子的硅晶體之中。單一電子會由于量子穿隧效應而隨機進出原子。由于每個原子可容納1~2個電子，加上每個電子都能呈現(xiàn)幾個不同的能級，因而每個原子都能出現(xiàn)四種可能的狀態(tài)之一。每個原子都根據(jù)不同的概率轉(zhuǎn)換四種狀態(tài)，對應原子中的隨機電子穿隧進出情況改變其能級。
研究人員發(fā)現(xiàn)這種物理現(xiàn)像可用來模擬某些計算問題。他們舉了一個簡單的例子來證實這個概念：在四個相連的房間組成的迷宮中的游客路徑，其任務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特定房間內(nèi)的時間。
傳統(tǒng)計算方法需要很大工作量才能解決這種類型的問題，因為這個任務涉及到游客在迷宮中的動態(tài)信息收集和分析，而后才會嘗試優(yōu)化大門的打開機率。
而新的邏輯單元能以更直接的方式找到解決方案，因為該問題物理上是由原子“硬件”本身所體現(xiàn)。針對這個特定問題，迷宮的拓樸結(jié)構(gòu)對應于原子狀態(tài)，而游客的動態(tài)則對應于電子的穿隧效應。
使用掃描穿隧顯微鏡，研究人員能夠量測電子穿隧率，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)的時間。
由于單一電子動態(tài)的變化，每個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，因為它可能會引發(fā)錯誤。但在這里其可變性卻由于它允許數(shù)十億個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)下更長時間而變成一種優(yōu)勢。
科學家們預計未來納米級邏輯器件將具備解決各種復雜問題的能力，因為它們是直接模擬問題，而非以二進制來做處理。
Remacle表示，納米級和分子器件作為硬件邏輯具有很多優(yōu)勢，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特性，其活動是由概率所決定。在傳統(tǒng)硬件中，要實現(xiàn)概率算法來做最簡單的應用仍需要很大開銷。舉例來說，僅僅從概率分布中抽取一個偽隨機數(shù)，在現(xiàn)代計算機中需要數(shù)百條指令才能完成，而采取真正隨機時間的電子穿隧則是更加自然的處理過程。
未來研究人員計劃開發(fā)其他種類的納米邏輯裝置，但要實現(xiàn)將需要極精確地定位部件。
Remacle進一步指出，理論上研究人員將持續(xù)開發(fā)針對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計。
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