Умное распределение химических связей, их влияние на проводимость образца в разных точках и переключение состояний отдельных атомов вполне можно использовать как основу вычислительной системы.

Такой тезис экспериментально подтвердили учёные из Мичиганского технологического университета (Michigan Technological University), а также японских национальных институтов материаловедения (NIMS) и информационных и коммуникационных технологий (NICT). Они построили работоспособный прототип молекулярного компьютера с массовым параллелизмом.

Новая система способна одновременно менять и считывать состояние около 300 бит. По своему принципу, объясняют авторы новинки, такой процессор больше сходен не с суперкомпьютерами, содержащими множество чипов, а с мозгом человека, в котором гигантское число связей между миллиардами нейронов обеспечивают параллелизм, какой кремниевым монстрам и не снился.

Рис. 1. Вверху: магнитно-резонансное изображение полушарий мозга, показывающих разные картины активности в зависимости от типа задачи. Внизу: картина изменяющихся состояний ячеек в мономолекулярном слое, по прихоти экспериментаторов подстраивающемся под вычисления разного характера. Визуальная аналогия не случайна (иллюстрация Anirban Bandyopadhyay).

В основе этого вычислительного устройства — молекула 2,3-дихлоро-5,6-дициано-1,4-бензохинона (DDQ) — её схема показана на рисунке анонса. Энное число DDQ учёные выложили в два мономолекулярных слоя на золотой подложке. Связанные между собой строго определённым образом, эти молекулы образовали логические переключатели, состоянием которых можно управлять. Приложение напряжения к подложке вызывает деформацию и поворот химических связей в «кирпичике» нового компьютера, что меняет свойства такой ячейки.

Авторы убедились на опыте, что молекулярный слой может выполнять цифровые логические операции и что с его помощью можно вычислять диаграммы Вороного, моделировать диффузию тепла и рост раковой опухоли. (Детали — в статье в Nature Physics.) Кроме того, исследователи продемонстрировали, что слой DDQ умеет самозалечиваться после возникновения дефекта. На такой фокус ни один традиционный компьютер не способен, зато опять прослеживается аналогия с живым мозгом.

Рис. 2. Схема молекулярного процессора. Справа: цикл самозалечивания. Молекула DDQ удаляется из верхнего монослоя приложением избыточного напряжения к наконечнику туннельного микроскопа. Вскоре молекулы-соседки перераспределяются (что сопровождается их переходами через разные энергетические уровни), заполняют вакансию и вновь создают правильную по геометрии структуру (иллюстрации Anirban Bandyopadhyay et al./Nature Physics).

Статья подготовлена Филипповым Ю.П. по материалам: