Данные классических вычислений существуют в одном из двух состояний: либо 0, либо 1. Даже когда программа использует случайные числа, она получает их из псевдослучайного генератора, который на самом деле детерминирован. В вероятностных вычислениях используются физически нестабильные биты, которые переключаются между состояниями 0 и 1 случайным образом, при помощи тепловых или магнитных флуктуаций. Такое устройство можно использовать для так называемой «выборочной оптимизации»: вместо того чтобы последовательно перебирать все варианты (как в обычном компьютере), оно параллельно пробует множество путей и выбирает наиболее вероятные.

Спинтроника — технология, которая обрабатывает и хранит информацию, управляя внутренним квантовым спином электрона, — стала одной из наиболее перспективных технологий для создания вероятностных процессоров. Спинтронные устройства используют не заряд электрона, а его квантовый спин (собственный момент импульса). В наноразмерных магнитных элементах спин может случайно менять направление под действием тепловых колебаний — это явление называется суперпарамагнетизмом. Именно этот естественный шум и используется для генерации вероятностного бита.

В отличие от других технологий вероятностных вычислений (например, оптических или фазовых), спинтонные легко масштабируются и потребляют мало энергии.

Ученые из Университета Тохоку и Национального института стандартов и технологий интегрировали спинтронные устройства в кремниевый чип, объединив технологии полупроводников и спинтроники. Они применили для изготовления транзисторов и нижних слоев межкомпонентных соединений 130-нм КМОП-процесс. Затем они методом спинтронной литографии добавили сверху суперпарамагнитные наноустройства и верхние электроды. В результате получился гибридный чип, где обычные транзисторы управляют чтением и записью вероятностных битов, а сами биты размещены в металлических слоях. Это первый случай монолитной интеграции спинтронного вероятностного бита с кремнием, сообщает IE.

Полученный чип продемонстрировал две ключевые характеристики, необходимые для работы вероятностного режима. Во-первых, команда наблюдала стохастические колебания выходного напряжения во времени и подтвердила, что устройство может естественным образом переключаться между различными состояниями. Во-вторых, они также доказали, что средний выходной сигнал можно контролировать с помощью приложенного напряжения, что позволяет настраивать вероятностное поведение.

«Благодаря дальнейшему совершенствованию технологий устройств и схем, а также увеличению количества интегрированных p-битов, исследователи ожидают, что спинтронные p-компьютеры приблизятся к крупномасштабному практическому внедрению», — заключили в университете в пресс-релизе.

Одиночный вероятностный бит — это опытный образец. Для реальных вычислений нужны тысячи и миллионы таких битов, связанных между собой. Тогда они смогут решать задачи комбинаторной оптимизации намного быстрее классических алгоритмов.

Международная команда исследователей нашла способ управления взаимодействием света и спина в органических полупроводниках, работающих даже при комнатной температуре.