Компьютеры следующего поколения заменяют транзисторы квантовыми точками

Ученые первыми создают молекулы со смешанной валентностью в автоматизированных устройствах с квантовыми точками для более быстрой работы при комнатной температуре, преодолевая ограничения транзистора.

Ученые используют альтернативный подход к вычислениям, заменяя традиционные компоненты, называемые транзисторами, молекулами со смешанной валентностью для создания клеточных автоматов с квантовыми точками.

«[This] «Это классическая модель вычислений с низким энергопотреблением», — пишут исследователи в своей статье. Стади Опубликовано в Журнал вычислительной химии. «Молекулы смешанной валентности могут обеспечить [computing] Устройства, поддерживающие скорость преобразования в терагерцовом диапазоне [compared to current gigahertz in transistor-based processors] И работать при комнатной температуре.

Этот отказ от транзисторов необходим, поскольку совершенствование транзисторных компьютеров в последние годы значительно замедлилось из-за физических ограничений (на кристалле можно разместить только несколько транзисторов) и уменьшения прироста производительности.

Молекулы смешанной валентности

Одним из интересных претендентов в области альтернативных вычислительных систем являются системы, построенные на молекулах со смешанной валентностью, у которых есть внешние электроны, известные как валентные электроны, которые способны «прыгать» вокруг молекулы в ответ на внешнее электрическое поле.

Такое поведение возникает из-за того, что все электроны, входящие в состав молекулы, наименее прочно связаны с атомным ядром. Это делает его более чувствительным к изменениям в окружающей среде, например, к приложенным электромагнитным полям или воздействию близлежащих молекул или атомов.

В компьютере, основанном на молекулах со смешанной валентностью, основными единицами являются сами молекулы, где информация хранится в зависимости от положения валентного электрона внутри молекулы, подобно битам в традиционных компьютерах.

«Основная идея состоит в том, чтобы манипулировать локальными электронными состояниями (или молекулярными орбиталями) в «ячейках» не для переключения тока, как в транзисторах, а для представления информации на основе локального молекулярного заряда», — объясняет Дэвид Драболд, заслуженный профессор кафедры физики и физики. Астроном из Университета Огайо, который не участвовал в исследовании. «Эта концепция подходит для вычислений общего назначения, в отличие от квантовых вычислений».

Чтобы понять, какие молекулы будут лучшими «битами», ученые под руководством Энрике Блэра, доцента кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Бэйлора в Техасе, провели теоретический анализ свойств нескольких молекул со смешанной валентностью, таких как как молекулярный катион водорода ( H₂+), молекулярный анион водорода (H₂-), и несколько катионных и анионных карбонильных молекул, таких как аллил и диэтилены, ранее были предложены в литературе для этой цели.

Насколько хорошо молекула смешанной валентности функционирует как компьютерная единица, зависит от того, насколько чувствительны ее валентные электроны к электрическому полю, а также от того, насколько изменяется ее состояние при взаимодействии молекулы смешанной валентности с близлежащими ионами — молекулами или атомами с дополнительными валентностями. элементы или недостающие электроны.

Влияние другого случайно расположенного иона может повлиять на положение валентного электрона, его поведение и размер электрического поля, необходимого для перемещения электрона из одного состояния в другое, поведение, которое имеет решающее значение для основных функций этих вычислений. устройства.

«Когда ионный [mixed-valence] Исследователи объяснили, что молекулы используются в качестве клеточных автоматов с квантовыми точками, а внешние счетчики, создаваемые во время настройки устройств, случайным образом располагаются рядом с устройствами. «Такие случайно расположенные случайные заряды могут повлиять […] Эксплуатация устройства неконтролируемым и непредсказуемым образом.

Цвиттерионы в помощь

Поэтому ученые использовали компьютерное моделирование для изучения динамики и поведения валентных электронов, когда они находятся под воздействием соседнего иона в известных ионных валентных молекулах. Они обнаружили, что валентные электроны в ранее упомянутых молекулах на самом деле находились под сильным влиянием ионов в их окружении, что является проблемой, поскольку, если биты не смогут поддерживать свое состояние, компьютер не будет работать надежно.

Цвиттер-ионы были исследованы как потенциальное решение этой проблемы, поскольку по сравнению с другими молекулами-кандидатами, которые существуют в виде заряженных молекул, они имеют как положительный, так и отрицательный заряд, расположенный внутри одной и той же молекулы в четко определенных местах, что приводит к суммарному нейтральному заряду.

«Мы разработали два типа цвиттер-ионных нейтральных молекул со встроенными счетчиками», — объяснили исследователи. «По своей конструкции встроенный счетчик позволяет избежать смещения любого состояния молекулярного устройства, поскольку он расположен в центре молекулы».

В результате расположения валентных электронов эти цвиттер-ионы с меньшей вероятностью притягивают случайные внешние ионы, которые могут возникнуть вблизи молекулярного бита, что позволяет им лучше сохранять способность своих электронов реагировать желаемым образом. дорога.

«Это очень многообещающий и инновационный подход к преодолению ограничений традиционных вычислительных технологий, которые, похоже, приближаются к фундаментальным физическим пределам для дальнейшего развития», — сказал Драболд. «Мы надеемся на устройства с высокой плотностью и низким тепловыделением, которые станут Святым Граалем нового компьютерного дизайна».

Реальные испытания все еще необходимы

Хотя результаты команды очень многообещающие, впереди еще много экспериментальной и вычислительной работы, чтобы исследовать, как эти молекулярные частицы ведут себя в реальной среде. Осуществимость будет зависеть от того, насколько хорошо будут работать предлагаемые цвиттер-ионы, и при реализации любой крупномасштабной технологии может возникнуть множество непредвиденных трудностей.

«Практическое ограничение их подхода состоит в том, что они ограничены [computational] «Молекулы, хотя реальные материалы, конечно, будут трехмерными, вероятно, будут включать в себя эффекты дальнего электрического взаимодействия, которые скрыты молекулярными расчетами», — прокомментировал Драболд. «Поэтому следующим шагом может стать более точный анализ их вычислительной схемы в реальных материалах».

«Для любой новой технологии существуют препятствия на пути практического внедрения», — продолжил Драболд. «Какие молекулы следует использовать? Каков процесс роста? Каково влияние примесей? Как обеспечить достаточно малые ошибки в температуре процесса?» Авторы рассмотрели только одну важную проблему: проблему «ионного шума».

На данный момент этот проект является отличной отправной точкой, поскольку исследователи надеются, что существуют другие цвиттер-ионные частицы, которые могут лучше подойти для этой цели.

Хотя компьютер на основе частиц смешанной валентности еще далек от завершения, это исследование является важным шагом на пути к созданию устройств, которые могли бы быть более мощными, меньшими и более энергоэффективными, чем те, которые мы имеем сейчас.

Ссылка: Энрике П. Блэр и др., Предварительные исследования противодействующих эффектов в клеточных автоматах с квантовыми точкамиЖурнал вычислительной химии (2023). дои: 10.1002/jcc.27247

Изображение предоставлено: Шубхам Дхаге на Unsplash