科学家已经用单个原子建造出了新型微型逻辑机，其运行原理与传统逻辑器件完全不同。不同于如今计算机中晶体管对二进制转换范式的依赖，新的纳米级逻辑机能从物理上模拟问题，并利用在纳米量级上物理系统固有的随机性，而这种随机性再之前通常被看做是一种缺点。

　　左图为原子的四种状态，对应着右图迷宫中的四个房间。隧穿电子随机进出原子的性质就像人在迷宫的不同房间之间走动一样，能用来优化某些迷宫问题的解决方案。

　　由比利时、意大利、澳大利亚、以色列和美国大学研究者们组成了一支团队，在最近一期《Nano Letters》上发表了一篇关于新型纳米逻辑机的论文。

　　“我们的方法表明了建造一种新型微型模拟计算机的可能性，它可以通过在纳米级固态物理器件中运行简单的统计算法，来解决一些计算难题。”论文共同作者之一，列日大学的Francoise Remacle说道。

　　新的纳米级逻辑机由单独的磷原子组成，这些原子的密度约为约200亿个原子/平方厘米，他们位置精确地嵌入在硅晶体中。因为量子隧道效应地存在，单电子会随机地移入和移出原子。由于每个原子可以容纳这些电子中的一个或两个，并且每个电子可以占据不同的能级，因此每个原子总共有四种可能呈现出的状态。对应于电子隧穿进入和离开原子并改变能级的随机运动，每个原子会根据某种概率不断地在其四个状态间转变。

　　研究人员认识到，这种物理状态可以用于模拟某些计算问题。他们考虑了一个相对简单的例子作为一种概念证明。这个例子中，游客们在由四个房间组成的迷宫中不断走动，房间之间由门相互连通。任务是找到开门速率的最佳组合，以便最大化访客在一个特定房间中度过的时间。

　　使用常规计算来解决这类问题需要大量的工作，因为这通常涉及分析迷宫中游客们的动态特性，因此在进行优化前需要收集大量的信息。。

　　而使用新的逻辑器件能使我们更直接地找到解决方案，因为问题在物理层面上由原子“硬件”本身体现。对于这个特定的问题，迷宫的拓扑对应原子的状态，游客的移动对应电子的隧穿。

　　使用扫描隧道光谱学，研究人员即可以测量电子发生穿隧效应的概率，也可以通过控制显微镜的尖端电压与尖端和基板之间的距离来控制这些速率。因此，迷宫问题简化成了找到电压和尖端距离的组合的问题，需要做的只是让原子占据某一状态的时间最大化。

　　由于单电子动力学的可变性，每个原子具有稍微不同的电子传输性质，这意味着一些原子具有比其他原子更好的最优值。如果将原子作为开关器件(如晶体管)，这种可变性会被认为是缺点，因为它可能引入误差。但在这里可变性成为一个优势，因为它允许数十亿的逻辑设备相互比较，以确定哪些电子传输属性能帮助原子在一个特定的状态保持最长时间。

　　研究人员期望结果将使得纳米级逻辑器件能解决日益复杂的各种问题——所有这些都通过直接模拟问题来解决，而不是将它们重构成二进制问题，然后再来进行计算。

　　“用作逻辑硬件的纳米级分子器件具有许多潜在优点，从高封装密度和低功耗，到可用于编码信息的大量状态的特性，”Remacle说道，“然而，由于热激活和量子过程基本的随机性质，它们的动力学由概率法则决定。

　　最直接的应用，是使用纳米级器件实现在常规硬件中需大量运算资源的概率算法。例如，仅仅从概率分布中采样伪随机数在现代计算机上需要数百个指令，而在真实随机时间下的电子穿隧效应则是自然的过程。

　　在未来，研究人员计划设计其他类型的纳米器件，而它的实施将需要以极高的精度定位组件。

　　“在理论方面，我们将继续开发针对纳米尺度和分子系统物理学定制的不同信息处理范例，并且将特别注意由于其量子性质带来的潜力，”Remacle说道，“而在实验方面，最大的挑战是以原子精度实现对硅基质中掺杂原子位置的完全控制，并且设计其运输特性。”

　　编译：学诗

　　原文：https://m.phys.org/news/2017-03-nanoscale-logic-machines-binary.html