(Phys.org) —Los científicos han construido diminutas máquinas lógicas a partir de átomos individuales que funcionan de manera completamente diferente a como lo hacen los dispositivos lógicos convencionales. En lugar de confiar en el paradigma de conmutación binaria como el que utilizan los transistores en las computadoras actuales, las nuevas máquinas lógicas a nanoescala simulan físicamente los problemas y aprovechan la aleatoriedad inherente que gobierna el comportamiento de los sistemas físicos en la nanoescala, aleatoriedad que generalmente se considera un inconveniente.

El equipo de investigadores, Barbara Fresch y col., de universidades en Bélgica, Italia, Australia, Israel, y los Estados Unidos, han publicado un artículo sobre las nuevas máquinas lógicas a nanoescala en un número reciente de Nano letras .

"Nuestro enfoque muestra la posibilidad de una nueva clase de pequeñas computadoras analógicas que pueden resolver problemas computacionalmente difíciles mediante algoritmos estadísticos simples que se ejecutan en dispositivos físicos de estado sólido a nanoescala, ", dijo la coautora Francoise Remacle de la Universidad de Lieja Phys.org .

Las nuevas máquinas nanológicas consisten en átomos de fósforo individuales que están colocados con precisión e incrustados en un cristal de silicio a una densidad de aproximadamente 200 mil millones de átomos por centímetro cuadrado. Los electrones individuales entran y salen aleatoriamente de los átomos debido al efecto túnel cuántico. Dado que cada átomo puede contener uno o dos de estos electrones, y cada electrón puede ocupar unos pocos niveles de energía diferentes, cada átomo puede ocupar uno de los cuatro estados posibles. Cada átomo está en constante transición entre sus cuatro estados de acuerdo con un cierto conjunto de probabilidades, correspondiente al movimiento aleatorio de electrones entrando y saliendo del átomo y cambiando sus niveles de energía.

Los investigadores reconocieron que esta imagen física se puede utilizar para simular ciertos problemas computacionales. Como prueba de concepto, observaron un ejemplo relativamente simple que involucra el flujo de visitantes en un laberinto que consta de cuatro habitaciones conectadas por puertas. La tarea es encontrar la combinación óptima de tarifas para abrir las puertas con el fin de maximizar el tiempo que los visitantes pasan en una habitación en particular.

Resolver este tipo de problemas utilizando la informática convencional requiere una cantidad significativa de esfuerzo, ya que normalmente implica analizar la dinámica de los visitantes en el laberinto para recopilar información antes de intentar optimizar las tasas de apertura de las puertas.

Sin embargo, utilizando los nuevos dispositivos lógicos, es posible encontrar la solución más directamente porque el problema está físicamente incorporado por el propio "hardware" atómico. Para este problema en particular, la topología del laberinto corresponde a los estados de un átomo, y el movimiento de visitantes corresponde al túnel de los electrones.

Usando espectroscopia de túnel de barrido, los investigadores pudieron medir las tasas de efecto túnel de electrones, y también podría controlar estas velocidades controlando el voltaje en la punta del microscopio junto con la distancia entre la punta y el sustrato. Entonces, el problema del laberinto se convierte en un problema de encontrar la combinación de voltajes y distancias de punta que maximizan el tiempo que un átomo ocupa un cierto estado.

Debido a la variabilidad de la dinámica de un solo electrón, cada átomo tiene propiedades de transporte de electrones ligeramente diferentes, lo que significa que algunos átomos tienen mejores valores óptimos que otros. Si los átomos se usaran como dispositivos de conmutación, como transistores, entonces esta variabilidad se consideraría un inconveniente porque podría introducir error. Pero aquí la variabilidad se convierte en una ventaja porque permite comparar miles de millones de dispositivos lógicos entre sí para determinar qué propiedades de transporte de electrones ayudan a mantener el átomo en un cierto estado durante más tiempo.

Los investigadores esperan que los resultados conduzcan a dispositivos lógicos a nanoescala capaces de resolver una amplia variedad de problemas de complejidad creciente, todo mediante la simulación directa de los problemas en lugar de reformularlos como procesos binarios.

"Los dispositivos a nanoescala y moleculares que se utilizan como hardware para la lógica tienen muchas ventajas potenciales, desde alta densidad de empaquetamiento y baja disipación de potencia hasta el elevado número de estados que se pueden utilizar para codificar información, "Dijo Remacle." Sin embargo, their dynamics is ruled by probabilistic law because of the fundamental stochastic nature of thermally activated and quantum processes. The most straightforward application is then to use nanoscale devices for the implementation of probabilistic algorithms that require significant overhead in conventional deterministic hardware. Por ejemplo, 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."

En el 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. Experimentally, 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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