نقاط کوانتومی جایگزین ترانزیستورها در محاسبات آینده می‌شوند

به گزارش سهند خبر و به نقل از ادونسد ساینس نیوز، دانشمندان سعی دارند یک رویکرد جایگزین را برای محاسبات در پیش بگیرند و ترانزیستورهای معمولی را با مولکول‌های ظرفیت مختلط جایگزین کنند تا ماشین‌های سلولی بر پایه نقطه کوانتومی بسازند.

پژوهشگران در توضیح پروژه خود نوشتند: این یک الگوی محاسباتی کلاسیک کم‌مصرف است. مولکول‌های ظرفیت مختلط ممکن است دستگاه‌های محاسباتی را در مقیاس نانومتر ارائه دهند که از سرعت تغییر تراهرتز در مقایسه با گیگاهرتز کنونی در پردازنده‌های مبتنی بر ترانزیستور و عملکرد در دمای اتاق پشتیبانی کنند.

این تغییر در ترانزیستورها ضروری است زیرا پیشرفت‌ در رایانه‌های مبتنی بر ترانزیستور طی سال‌های اخیر به ‌دلیل محدودیت‌های فیزیکی و کاهش عملکرد، به طور قابل توجهی کند شده است.

مولکول‌های ظرفیت مختلط

یک رقیب جالب در زمینه سیستم‌های محاسباتی جایگزین، سیستم‌هایی هستند که بر پایه مولکول‌های ظرفیت مختلط ساخته شده‌اند. این سیستم‌ها دارای الکترون‌های بیرونی به نام الکترون‌های ظرفیتی هستند که می‌توانند در واکنش به یک میدان الکتریکی بیرونی، به اطراف مولکول بپرند.

این رفتار به این دلیل به وجود می‌آید که میان همه الکترون‌های سازنده یک مولکول، کمترین اتصال به هسته اتم وجود دارد. این باعث می‌شود که آنها نسبت به تغییرات محیطی مانند میدان‌های الکترومغناطیسی اعمال‌شده یا تأثیر یک مولکول یا اتم نزدیک، حساس‌تر شوند.

در رایانه‌ای که مبتنی بر مولکول‌های ظرفیت مختلط است، واحدهای اساسی خود مولکول‌ها هستند و اطلاعات توسط الکترون‌های ظرفیتی درون مولکول‌ها ذخیره می‌شوند که مشابه بیت‌های موجود در رایانه‌های معمولی هستند.

«دیوید درابولد»(David Drabold) استاد برجسته دپارتمان فیزیک و ستاره‌شناسی در «دانشگاه اوهایو»(Ohio University) که در این پژوهش شرکت نداشت، توضیح داد: ایده اصلی این است که حالت‌های الکترونیکی محلی یا اوربیتال‌های مولکولی را در سلول‌ها دستکاری کنیم تا مانند ترانزیستورها جریان را تغییر ندهند، بلکه برای نمایش اطلاعات بر اساس بار مولکولی محلی اقدام کنند. این مفهوم بر خلاف محاسبات کوانتومی، برای محاسبات با هدف عمومی مناسب است.

این گروه پژوهشی به سرپرستی «انریکه بلر»(Enrique Blair) دانشیار دپارتمان مهندسی برق و رایانه «دانشگاه بیلور»(Baylor University) در تگزاس، برای درک اینکه کدام مولکول‌ها به عنوان بهترین بیت‌ها عمل می‌کنند، یک تحلیل نظری را در مورد ویژگی‌های چندین مولکول ظرفیت مختلط انجام دادند که نمونه‌هایی از آنها عبارتند از کاتیون مولکولی هیدروژن، آنیون مولکولی هیدروژن و مولکول‌های گوناگون کاتیونی و آنیونی مبتنی بر کربن مانند اتیلن و آلیل دیمرها که در پژوهش‌های پیشین برای این منظور پیشنهاد شده بودند.

اینکه چگونه یک مولکول ظرفیت مختلط می‌تواند مانند بیت رایانه‌ای عمل کند، به میزان حساسیت الکترون‌های ظرفیتی آن به میدان الکتریکی و همچنین میزان تغییر حالت آن در اثر تعامل مولکول ظرفیت مختلط با یون‌های مجاور شامل مولکول‌ها یا اتم‌های اضافی یا الکترون‌های ازدست‌رفته بستگی دارد.

تأثیر یک یون دیگر که به طور تصادفی اعمال شده است، می‌تواند بر موقعیت یک الکترون ظرفیتی، نحوه رفتار آن و بزرگی میدان الکتریکی مورد نیاز برای تغییر الکترون از یک حالت به حالت دیگر تأثیر بگذارد. این رفتار برای عملکردهای اساسی دستگاه‌های محاسباتی بسیار مهم است.

پژوهشگران توضیح دادند: وقتی مولکول‌های یونی ظرفیت مختلط به عنوان ماشین‌های سلولی نقطه کوانتومی استفاده می‌شوند، یون‌های مخالف تولیدشده در زمان آماده‌سازی دستگاه، به ‌طور تصادفی در نزدیکی آنها قرار می‌گیرند. چنین بارهای سرگردانی که به طور تصادفی حضور دارند، می‌توانند بر عملکرد دستگاه به روشی غیر قابل کنترل و غیر قابل پیش‌بینی تأثیر بگذارند.

یون‌های دوقطبی

دانشمندان از مدلسازی محاسباتی برای بررسی پویایی و رفتار الکترون‌های ظرفیتی در زمانی استفاده کردند که تحت تأثیر یک یون مجاور در مولکول‌های یونی ظرفیت مختلط هستند. آنها دریافتند که الکترون‌های ظرفیتی در مولکول‌های مذکور به شدت تحت تأثیر یون‌های مجاور خود قرار دارند. این یک مشکل است زیرا اگر بیت‌ها نتوانند حالت خود را حفظ کنند، رایانه به ‌طور قابل اطمینان کار نخواهد کرد.

یون‌های دوقطبی به عنوان یک راه حل احتمالی برای این مشکل مورد بررسی قرار گرفته‌اند زیرا در مقایسه با سایر گزینه‌هایی که به عنوان مولکول‌های باردار وجود دارند، آنها حاوی یک بار مثبت و منفی هستند که در مکان‌های کاملا تعریف‌شده از یک مولکول قرار می‌گیرند و این یک بار خالص خنثی را ایجاد می‌کند.

پژوهشگران توضیح دادند: ما دو نوع مولکول خنثی از یون‌های دوقطبی را با یون‌های مخالف داخلی طراحی می‌کنیم. با این طراحی، یون مخالف داخلی از سوگیری حالت‌های دستگاه مولکولی جلوگیری می‌کند زیرا در مرکز مولکول قرار دارد. در نتیجه مکان الکترون‌های ظرفیتی، کمتر احتمال دارد که یون‌های دوقطبی، یون‌های بیرونی را در مجاورت بیت مولکولی جذب کنند. این ویژگی به آنها امکان می‌دهد تا شکل و توانایی الکترون‌های خود را برای واکنش نشان دادن به شیوه مطلوب حفظ کنند.

درابولد گفت: این یک رویکرد امیدوارکننده و بسیار بدیع برای غلبه کردن بر محدودیت‌های فناوری محاسباتی مرسوم است که به نظر می‌رسد به محدودیت‌های فیزیکی اساسی در توسعه خود نزدیک می‌شود. امید برای ساخت دستگاه‌هایی با چگالی بالاتر و تولید گرمای کمتر، اهداف طراحی رایانه جدید هستند.

آزمایش‌هایی در محیط واقعی

اگرچه نتایج این پژوهش بسیار امیدوارکننده هستند اما هنوز باید کارهای تجربی و محاسباتی زیادی برای بررسی نحوه رفتار این بیت‌های مولکولی در یک محیط واقعی انجام شوند. امکان‌سنجی به این بستگی دارد که یون‌های دوقطبی پیشنهادی چقدر خوب عمل می‌کنند و با اجرای هر فناوری در مقیاس بزرگ ممکن است بسیاری از مشکلات پیش‌بینی‌نشده ایجاد شوند.

درابولد اظهار داشت: یک محدودیت عملی رویکرد پژوهش این است که به مولکول‌های محاسباتی محدود می‌شود. این در حالی است که مواد واقعی، سه‌بعدی خواهند بود و احتمالا اثرات تعامل الکتریکی دوربرد را در بر خواهند داشت که توسط محاسبات مولکولی پنهان می‌شوند. بنابراین، گام بعدی ممکن است شامل تحلیل دقیق‌تری از طرح محاسباتی آنها در مواد واقعی باشد.

درابولد ادامه داد: مانند هر فناوری جدید، موانعی برای تحقق عملی این پژوهش وجود دارد. از چه مولکولی باید استفاده کرد؟ چه روندی را باید برای توسعه در پیش گرفت؟ اثر ناخالصی‌ها چیست؟ چگونه می‌توان از خطاهای کوچک در دماهای عملی اطمینان حاصل کرد؟ نویسندگان این پژوهش تنها یک مشکل مهم را در نظر گرفته‌اند و آن «نویز یونی» است.

این پروژه در حال حاضر، یک نقطه آغاز عالی است و پژوهشگران امیدوارند مولکول‌های یون دوقطبی دیگری نیز وجود داشته باشند که برای این منظور مناسب‌تر عمل کنند.

اگرچه رایانه مبتنی بر مولکول‌های ظرفیت مختلط هنوز تا کامل شدن فاصله دارد اما این پژوهش یک گام مهم در جهت ساخت دستگاه‌هایی است که می‌توانند نسبت به دستگاه‌های کنونی، قوی‌تر، فشرده‌تر و کارآمدتر باشند.

این پژوهش در «Journal of Computational Chemistry» به چاپ رسید.