מעבר לבינארי: מכשירים מגנטיים דו מימדיים מאפשרים מחשבים הסתברותיים דמויי מוח

חוקרים מאוניברסיטת וויומינג פיתחו שיטה חדשה לשלוט במצבים מגנטיים בחומרים דו-ממדיים, ומבטיחים התקדמות מהפכנית בטכנולוגיית מחשוב ויעילות אנרגטית.

תארו לעצמכם עתיד שבו מחשבים יכולים ללמוד ולקבל החלטות בדרכים המחקות את החשיבה האנושית, אך במהירות וביעילות שגדולות בסדרי גודל מהיכולת הנוכחית של מחשבים.

פריצת דרך בבקרה מגנטית

צוות מחקר מאוניברסיטת וויומינג יצר שיטה חדשנית לשלוט במצבים מגנטיים זעירים בתוך מגנטים אולטרה-דקים ודו-מימדיים (2D) של ואן דר וואלס – תהליך הדומה לאופן שבו החלפת מתג אור שולטת בנורה.

"התגלית שלנו עשויה להוביל להתקני זיכרון מתקדמים שמאחסנים יותר נתונים וצורכים פחות חשמל או מאפשרים פיתוח של סוגים חדשים לגמרי של מחשבים שיכולים לפתור במהירות בעיות שאינן פתירות כיום", אומר ג'יפה טיאן, עוזר פרופסור במחלקה ל-UW. פיזיקה ואסטרונומיה ומנהל זמני של המרכז למדע והנדסת מידע קוונטי של UW.

טיאן היה מחברו המקביל של מאמר, שכותרתו "מנהור מצבי ספין הנשלטים על ידי זרם במגנטי ואן דר ואלס בעלי שכבות מעטות", שפורסם ב-1 במאי ב תקשורת טבעכתב עת רב תחומי בגישה פתוחה המוקדש לפרסום מחקרים באיכות גבוהה בכל תחומי המדע הביולוגי, הבריאותי, הפיזיקלי, הכימי, כדור הארץ, החברה, המתמטי, היישומי וההנדסי.

הבנת חומרי ואן דר ואלס

חומרי ואן דר ואלס מורכבים משכבות דו-ממדיות מלוכדות חזק הנקשרות בממד השלישי באמצעות כוחות ואן דר ואלס חלשים יותר. לדוגמה, גרפיט הוא חומר ואן דר ואלס שנמצא בשימוש נרחב בתעשייה באלקטרודות, חומרי סיכה, סיבים, מחליפי חום וסוללות. אופי כוחות ואן דר ואלס בין שכבות מאפשר לחוקרים להשתמש בסקוטש כדי לקלף את השכבות לעובי אטומי.

הצוות פיתח מכשיר המכונה צומת מנהרה מגנטית, המשתמש בכרום טרייודיד – מגנט מבודד דו-ממדי בעובי של אטומים ספורים בלבד – הדחוס בין שתי שכבות של גרפן. על ידי שליחת זרם חשמלי זעיר – הנקרא זרם מנהור – דרך הסנדוויץ' הזה, ניתן להכתיב את כיוון כיוון המגנט של התחומים המגנטיים (כ-100 ננומטר בגודל) בתוך שכבות כרום טרייודיד בודדות, אומר טיאן.

התקדמות בבקרת ספין מגנטי

באופן ספציפי, "זרם המנהור הזה לא רק יכול לשלוט בכיוון המעבר בין שני מצבי ספין יציבים, אלא גם גורם ולתמרן מעבר בין מצבי ספין יציבים, הנקראים מיתוג סטוכסטי", אומר ZhuangEn Fu, סטודנט לתואר שני במעבדת המחקר של טיאן וכיום פוסט-דוקטורט. עמית באוניברסיטת מרילנד.

"פריצת הדרך הזו לא רק מסקרנת; זה מאוד פרקטי. הוא צורך שלושה סדרי גודל של אנרגיה קטנה יותר משיטות מסורתיות, בדומה להחלפת נורה ישנה לנורת LED, מה שמסמן אותה כמשנה משחק פוטנציאלית לטכנולוגיה עתידית", אומר טיאן. "המחקר שלנו יכול להוביל לפיתוח של התקני מחשוב חדשים שהם מהירים, קטנים יותר וחסכוניים באנרגיה וחזקים מאי פעם. המחקר שלנו מסמן התקדמות משמעותית במגנטיות בגבול הדו-ממד ומציב את הבמה לפלטפורמות מחשוב חדשות ועוצמתיות, כמו מחשבים הסתברותיים".

פיתוח מחשבים הסתברותיים

מחשבים מסורתיים משתמשים בביטים כדי לאחסן מידע כ-0 ו-1. קוד בינארי זה הוא הבסיס לכל תהליכי המחשוב הקלאסיים. מחשבים קוונטיים משתמשים בביטים קוונטיים שיכולים לייצג גם "0" וגם "1" בו-זמנית, ומגדילים את כוח העיבוד באופן אקספוננציאלי.

"בעבודתנו, פיתחנו מה שאתה עשוי לחשוב עליו כעל הסתברותי, שיכול לעבור בין '0' ל-'1' (שני מצבי ספין) בהתבסס על ההסתברויות הנשלטות על זרם המנהור," אומר טיאן. "סיביות אלו מבוססות על המאפיינים הייחודיים של מגנטים דו-ממדיים דקים במיוחד וניתן לקשר אותם באופן דומה לנוירונים במוח כדי ליצור סוג חדש של מחשב, המכונה מחשב הסתברותי.

מהפכה בתחום המחשוב עם טכנולוגיות חדשות

"מה שהופך את המחשבים החדשים האלה למהפכניים בפוטנציה הוא היכולת שלהם להתמודד עם משימות מאתגרות להפליא עבור מחשבים מסורתיים ואפילו קוונטיים, כמו סוגים מסוימים של מורכבות למידת מכונה משימות ובעיות עיבוד נתונים", ממשיך טיאן. "הם מטבעם סובלניים לשגיאות, פשוטים בעיצובם ותופסים פחות מקום, מה שעלול להוביל לטכנולוגיות מחשוב יעילות וחזקות יותר."

הואה צ'ן, פרופסור חבר לפיזיקה באוניברסיטת קולורדו סטייט, ואלן מקדונלד, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת טקסס-אוסטין, שיתפו פעולה כדי לפתח מודל תיאורטי שמבהיר כיצד זרמי מנהור משפיעים על מצבי ספין בצמתי המנהרות המגנטיות הדו-ממדיות. תורמים נוספים היו מאוניברסיטת פן סטייט, אוניברסיטת נורת'אסטרן והמכון הלאומי למדעי החומרים בנאמיקי, צוקובה, יפן.

המחקר מומן באמצעות מענקים ממשרד האנרגיה האמריקאי; ויומינג נאס"א EPSCoR (תוכנית שהוקמה לגירוי מחקר תחרותי); הקרן הלאומית למדע; ויוזמת מרכז המחקר הבינלאומי הבכיר העולמי ומשרד החינוך, התרבות, הספורט, המדע והטכנולוגיה, שניהם ביפן.