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Computação atômica supera lógica binária

Computação atômica supera lógica binária
Os quatro estados do átomo (esquerda) representam as quatro salas do problema. O tunelamento dos elétrons simula o movimento das pessoas entre as salas (direita). [Imagem: Fresch et al. - 10.1021/acs.nanolett.6b05149]

Nanomáquinas lógicas

Pequenas máquinas lógicas, construídas com átomos individuais, podem criar uma forma mais eficiente de computação do que os supercomputadores atuais, e mais simples do que os tão esperados computadores quânticos.

Uma colaboração internacional, liderada por Barbara Fresch, da Universidade de Liége, na Bélgica, afirma que suas "nanomáquinas" podem superar a computação binária para uma grande gama de problemas.

"A implementação aproveita a natureza estocástica do tunelamento dos elétrons, enquanto a saída permanece como uma corrente macroscópica cuja leitura pode ser realizada com técnicas padrão e não requer sensibilidade de um único elétron," escreve a equipe.

Computação atômica

As nanomáquinas são átomos de fósforo individuais posicionados - por meio de uma técnica padrão da indústria conhecida como dopagem - em um cristal de silício, com uma densidade de aproximadamente 200 bilhões de átomos por centímetro quadrado.

Os elétrons se movem aleatoriamente entre os átomos de fósforo devido ao fenômeno do tunelamento - vistos como ondas, os elétrons simplesmente "se transmitem" de um átomo para outro, sem se incomodar com qualquer barreira sólida.

Como cada átomo de fósforo pode manter um ou dois desses elétrons e cada elétron pode ocupar diferentes níveis de energia, cada átomo pode ocupar pelo menos um de quatro estados possíveis, e fica transicionando de um para outro obedecendo a um determinado conjunto calculável de probabilidades. Em outras palavras, o tão temido "ruído", que tanto atrapalha a realização de experimentos em nível atômico, aqui é a própria base de funcionamento do circuito.

Barbara e seus colegas demonstraram que esse sistema pode ser usado para simular determinados problemas computacionais, essencialmente criando um novo tipo de simulador quântico.

Computação atômica supera lógica binária
(A) Imagem topográfica da pastilha de silício mostrando o átomo de fósforo. (B) Função de onda do elétron ligado ao átomo. [Imagem: Fresch et al. - 10.1021/acs.nanolett.6b05149]

Computação natural

Como prova de conceito, a equipe analisou um fluxo de visitantes em um labirinto composto por quatro salas conectadas por portas. A tarefa é encontrar a melhor combinação de frequência da abertura das portas a fim de maximizar o tempo que os visitantes gastam em cada sala.

Resolver esse tipo de problema usando a computação convencional requer uma quantidade significativa de cálculos, uma vez que envolve a análise da dinâmica dos visitantes no labirinto para coletar informações antes de tentar otimizar o ritmo de abertura das portas.

Usando os dispositivos lógicos atômicos, no entanto, é possível encontrar a solução mais diretamente porque o problema está fisicamente incorporado pelo próprio hardware atômico - para este problema em particular, a topologia do labirinto corresponde aos estados de um átomo, e o movimento dos visitantes corresponde ao tunelamento dos elétrons.

Os resultados são lidos, por meio de um microscópio de tunelamento, na forma de correntes elétricas - ou seja, trata-se essencialmente de uma computação analógica.

"Sua dinâmica é governada por uma lei probabilística por causa da natureza estocástica fundamental dos processos quânticos e termalmente ativados. A aplicação mais direta é, então, usar dispositivos de nanoescala para a implementação de algoritmos probabilísticos que requeiram uma sobrecarga significativa em um hardware determinístico convencional. Por exemplo, a mera amostragem de um número pseudo-aleatório de uma distribuição de probabilidade requer centenas de instruções em um computador moderno, enquanto o tunelamento dos elétrons em tempos verdadeiramente aleatórios é um processo natural," disse a professora Francoise Remacle.

Bibliografia:

A Probabilistic Finite State Logic Machine Realized Experimentally on a Single Dopant Atom
Barbara Fresch, Juanita Bocquel, Sven Rogge, R. D. Levine, F. Remacle
Nano Letters
Vol.: 17 (3), pp 1846-1852
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05149




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