p (Phys.org) - Os cientistas construíram minúsculas máquinas lógicas com átomos individuais que operam de maneira completamente diferente dos dispositivos lógicos convencionais. Em vez de confiar no paradigma de comutação binária como o usado pelos transistores nos computadores de hoje, as novas máquinas lógicas em nanoescala simulam fisicamente os problemas e tiram vantagem da aleatoriedade inerente que governa o comportamento dos sistemas físicos em nanoescala - aleatoriedade que geralmente é considerada uma desvantagem. p A equipe de pesquisadores, Barbara Fresch et al., de universidades na Bélgica, Itália, Austrália, Israel, e os EUA, publicaram um artigo sobre as novas máquinas lógicas em nanoescala em uma edição recente da Nano Letras .

p "Nossa abordagem mostra a possibilidade de uma nova classe de minúsculos computadores analógicos que podem resolver problemas computacionalmente difíceis por meio de algoritmos estatísticos simples executados em dispositivos físicos de estado sólido em nanoescala, "disse a co-autora Françoise Remacle da Universidade de Liege Phys.org .

p As novas máquinas nanológicas consistem em átomos de fósforo individuais que são precisamente posicionados e incorporados em um cristal de silício a uma densidade de cerca de 200 bilhões de átomos por centímetro quadrado. Os elétrons individuais se movem aleatoriamente para dentro e para fora dos átomos devido ao tunelamento quântico. Uma vez que cada átomo pode conter um ou dois desses elétrons, e cada elétron pode ocupar alguns níveis diferentes de energia, cada átomo pode ocupar um dos quatro estados possíveis. Cada átomo está constantemente em transição entre seus quatro estados de acordo com um certo conjunto de probabilidades, correspondendo ao movimento aleatório dos elétrons que entram e saem do átomo e mudam seus níveis de energia.

p Os pesquisadores reconheceram que esta imagem física pode ser usada para simular certos problemas computacionais. Como prova de conceito, eles olharam para um exemplo relativamente simples envolvendo o fluxo de visitantes em um labirinto que consiste em quatro salas conectadas por portões. A tarefa é encontrar a combinação ideal de taxas para abrir os portões, a fim de maximizar o tempo que os visitantes passam em um determinado quarto.

p Resolver este tipo de problema usando computação convencional requer uma quantidade significativa de esforço, uma vez que normalmente envolve a análise da dinâmica dos visitantes no labirinto para reunir informações antes de tentar otimizar as taxas de abertura do portão.

p Contudo, usando os novos dispositivos lógicos, é possível encontrar a solução mais diretamente porque o problema é fisicamente incorporado pelo próprio "hardware" atômico. Para este problema específico, a topologia do labirinto corresponde aos estados de um átomo, e o movimento dos visitantes corresponde ao tunelamento dos elétrons.

p Usando espectroscopia de tunelamento de varredura, os pesquisadores puderam medir as taxas de tunelamento de elétrons, e também poderia controlar essas taxas controlando a voltagem para a ponta do microscópio junto com a distância entre a ponta e o substrato. Portanto, o problema do labirinto torna-se um problema de encontrar a combinação de tensões e distâncias de ponta que maximizam o tempo que um átomo ocupa um determinado estado.

p Devido à variabilidade da dinâmica de um único elétron, cada átomo tem propriedades de transporte de elétrons ligeiramente diferentes, o que significa que alguns átomos têm valores ótimos melhores do que outros. Se os átomos fossem usados ​​como dispositivos de comutação, como transistores, então, essa variabilidade seria considerada uma desvantagem porque poderia introduzir erros. Mas aqui a variabilidade se torna uma vantagem porque permite que bilhões de dispositivos lógicos sejam comparados entre si para determinar quais propriedades de transporte de elétrons ajudam a manter o átomo em um determinado estado por mais tempo.

p Os pesquisadores esperam que os resultados levem a dispositivos lógicos em nanoescala capazes de resolver uma ampla variedade de problemas de complexidade crescente - tudo simulando diretamente os problemas, em vez de reformulá-los como processos binários.

p "Dispositivos em nanoescala e moleculares usados ​​como hardware para lógica têm potencialmente muitas vantagens, de alta densidade de embalagem e baixa dissipação de energia ao alto número de estados que podem ser usados ​​para codificar informações, "Remacle disse." No entanto, sua dinâmica é governada por leis probabilísticas por causa da natureza estocástica fundamental dos processos quânticos e ativados termicamente. 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 exemplo, 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."

p No futuro, the researchers plan to design other types of nanologic devices, whose implementation will require positioning the components with extreme precision.

p "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. Experimentalmente, 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." p © 2017 Phys.org