تستبدل حوسبة الجيل التالي الترانزستورات بالنقاط الكمومية

يقوم العلماء بدور رائد في جزيئات التكافؤ المختلط في ماكينات النقاط الكمومية من أجل التشغيل السريع في درجة حرارة الغرفة والذي يتجاوز حدود الترانزستور.

يتخذ العلماء نهجًا بديلاً للحوسبة عن طريق استبدال المكونات التقليدية التي تسمى الترانزستورات بجزيئات التكافؤ المختلط لبناء أوتوماتا خلوية ذات نقاط كمومية.

“[This] وكتب الباحثون في ورقتهم البحثية: “إن الحوسبة الكلاسيكية منخفضة الطاقة تعتبر نموذجية”. يذاكر نشرت في مجلة الكيمياء الحاسوبية. “يمكن لجزيئات التكافؤ المختلط أن توفر حجم نانومتر [computing] الأجهزة التي تدعم سرعات التبديل تيراهيرتز [compared to current gigahertz in transistor-based processors] ونشاط درجة حرارة الغرفة.”

لقد استلزمت التطورات في أجهزة الكمبيوتر المعتمدة على الترانزستورات في السنوات الأخيرة هذا التحول بعيدًا عن الترانزستورات بسبب القيود المادية (لا يمكن تركيب سوى عدد قليل من الترانزستورات على شريحة واحدة) وانخفاض الأداء.

جزيئات التكافؤ المختلط

أحد المنافسين المثيرين للاهتمام في مجال أنظمة الكمبيوتر البديلة يتضمن بناء جزيئات مختلطة التكافؤ، حيث تكون إلكترونات التكافؤ الخاصة بها، والتي تسمى الإلكترونات الخارجية، قادرة على “القفز” حول الجزيء استجابةً لمجال كهربائي خارجي.

ينشأ هذا السلوك بسبب أن جميع الإلكترونات التي يتكون منها الجزيء هي الأقل ارتباطًا بإحكام بنواة الذرة. وهذا يجعلها أكثر حساسية للتغيرات في بيئتها، مثل المجالات الكهرومغناطيسية المطبقة أو تأثير جزيء أو ذرة قريبة.

في الكمبيوتر الذي يعتمد على جزيئات مختلطة التكافؤ، الوحدات الأساسية هي الجزيئات، حيث يتم تخزين المعلومات عن طريق موضع إلكترون التكافؤ داخل الجزيء، على غرار البتات الموجودة في أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

“الفكرة الأساسية هي معالجة الحالات الإلكترونية الموضعية (أو المدارات الجزيئية) في “الخلايا” لتمثيل المعلومات من حيث الشحنة الجزيئية المحلية، بدلاً من تبديل التيار كما هو الحال في الترانزستورات”، يوضح ديفيد ترابولد، الأستاذ المتميز في قسم الفيزياء والفيزياء. علم الفلك في جامعة أوهايو، وهو غير مشارك في الدراسة: “على عكس الحوسبة الكمومية، فإن هذا المفهوم ذو الأغراض العامة ذو صلة بأجهزة الكمبيوتر”.

لفهم أي الجزيئات ستكون بمثابة “البتات” الأفضل، أجرى العلماء بقيادة إنريكي بلير، الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة بايلور في تكساس، تحليلًا نظريًا لخصائص العديد من جزيئات التكافؤ المختلط. كاتيون الهيدروجين الجزيئي (H₂+)، أيون الهيدروجين الجزيئي (H₂-)، والعديد من الجزيئات القائمة على الكربون الكاتيونية والأنيونية، مثل ثنائيات الإيثيلين والأليل، تم اقتراحها مسبقًا في الأدبيات لهذا الغرض.

تعتمد مدى جودة عمل جزيء التكافؤ المختلط كوحدة كمبيوتر على مدى حساسية إلكترونات التكافؤ للمجال الكهربائي، ومدى تغير حالته عندما يتفاعل جزيء التكافؤ المختلط مع الأيونات القريبة – الجزيئات أو الذرات. أو الإلكترونات المفقودة.

يمكن أن يؤثر تأثير أيون آخر يقع بشكل عشوائي على حالة إلكترون التكافؤ، وكيفية سلوكه، وكمية المجال الكهربائي المطلوب لنقل الإلكترون من حالة إلى أخرى، وهو سلوك بالغ الأهمية للوظائف الأساسية لهذه الأجهزة الحاسوبية.

“متى ايون [mixed-valence] وأوضح الباحثون أن الجزيئات تستخدم كخلايا آلية خلوية ذات نقاط كمومية، مع تيارات خارجية معاكسة يتم إنتاجها أثناء تصنيع الجهاز يتم تحديد موقعها بشكل عشوائي بالقرب من الأجهزة. مثل هذه الشحنات الضالة الموجودة بشكل عشوائي يمكن أن تؤثر على […] تشغيل الجهاز بطريقة لا يمكن السيطرة عليها ولا يمكن التنبؤ بها.”

Zwitterions للإنقاذ

لذلك استخدم العلماء النمذجة الحسابية لدراسة ديناميكيات وسلوك إلكترونات التكافؤ تحت تأثير أيون قريب في جزيئات التكافؤ الأيونية المعروفة. لقد وجدوا أن إلكترونات التكافؤ في الجزيئات المذكورة سابقًا تتأثر بشدة بالأيونات المجاورة لها، لأنه إذا لم تتمكن البتات من الحفاظ على مواقعها، فلن يعمل النظام بشكل موثوق.

تم استكشاف Zwitterions كحل محتمل لهذه المشكلة مقارنة بالمرشحين الآخرين الذين لديهم جزيئات مشحونة تحتوي على شحنة موجبة وسالبة داخل نفس الجزيء في مواقع محددة جيدًا، مما يؤدي إلى شحنة محايدة صافية.

وأوضح الباحثون: “لقد قمنا بتصميم نوعين من الجزيئات المحايدة الزويتيريونية مع عدادات موضعية”. “بحسب التصميم، يتجنب الأيون المضاد الموضعي تحيز أي موضع جهاز جزيئي لأنه يقع في مركز الجزيء.”

ونتيجة لموقع إلكترونات التكافؤ، تقل احتمالية جذب هذه الأيونات zwitterions للأيونات الخارجية العشوائية التي قد تحدث بالقرب من الحفرة الجزيئية، مما يسمح لها بالاحتفاظ بشكل أفضل وقدرتها على الاستجابة لتفضيلات إلكتروناتها. الطريقة

وقال درابولد: “هذا نهج واعد ومبتكر للغاية للتغلب على قيود تكنولوجيا الحوسبة التقليدية، والاقتراب من حدود الفيزياء الأساسية لمزيد من التطوير”. “الأجهزة ذات الكثافة العالية الواعدة وتوليد الحرارة المنخفض، كلاهما الكأس المقدسة لتصميم الكمبيوتر الجديد.”

لا تزال هناك حاجة لتجارب العالم الحقيقي

في حين أن نتائج الفريق واعدة جدًا، إلا أنه لا يزال هناك الكثير من العمل التجريبي والحسابي الذي يتعين القيام به للتحقق من كيفية أداء هذه البتات الجزيئية في بيئة العالم الحقيقي. وسوف تعتمد الجدوى على مدى نجاح عمل هذه التكنولوجيا المقترحة، كما أن تطبيق التكنولوجيا على نطاق واسع قد يثير العديد من المشاكل غير المتوقعة.

“إن القيد العملي لنهجهم هو أنهم محدودون [computational] وعلق درابولد قائلاً: “الجزيئات والمواد الحقيقية هي بالتأكيد ثلاثية الأبعاد وقد تتضمن تأثيرات تفاعل كهربائي بعيدة المدى تخفيها الحسابات الجزيئية”.

وتابع درابولد: “كما هو الحال مع أي تكنولوجيا جديدة، هناك عوائق أمام التنفيذ العملي”. “ما هي الجزيئات التي ينبغي استخدامها؟ ما هي عملية النمو؟ ما هي آثار الشوائب؟ كيف يمكن ضمان وجود أخطاء صغيرة بما فيه الكفاية عند درجات الحرارة العملية؟ نظر المؤلفون في مشكلة واحدة مهمة فقط: مشكلة “الضوضاء الأيونية”.

يعد هذا المخطط، في الوقت الحالي، نقطة انطلاق جيدة، ويعتقد الباحثون أن هناك جزيئات زوتيريونية أخرى أكثر ملاءمة لهذا الغرض.

على الرغم من أن النظام القائم على جزيئات التكافؤ المختلط لم يكتمل بعد، إلا أن البحث يعد خطوة مهمة نحو إنشاء أجهزة أكثر قوة وصغرًا وكفاءة في استخدام الطاقة مما لدينا حاليًا.

المرجع: إينريش ب. بلير، وآخرون، دراسات أولية للتأثيرات المضادة في الأتمتة الخلوية ذات النقطة الكمومية الجزيئية، مجلة الكيمياء الحاسوبية (2023). دوى: 10.1002/jcc.27247

حقوق الصورة المميزة: Shubham Thake على Unsplash