В последнем выпуске журнала Nano Letters группой учёных из США, Австралии, Израиля, Италии и Бельгии опубликована статья, где рассматриваются возможности решения сложных вычислительных задач с помощью простых статистических алгоритмов, работающих на мельчайших аналоговых компьютерах — логических наномашинах.

Такие наномашины состоят из отдельных атомов фосфора, внедрённых с высокой точностью в кремниевый кристалл. На квадратный сантиметр площади кремниевой основы приходится 200 млрд атомов. Каждый из них может удерживать один или два электрона, которые занимают несколько энергетических уровней и произвольно покидают атом или присоединяются к нему посредством квантового туннелирования. Сам же атом постоянно переключается между четырьмя возможными состояниями в соответствии с определенным распределением вероятностей.

Авторы показали, что эта физическая картина может быть использована для симуляции некоторых вычислительных задач. В качестве показательного примера они рассмотрели относительно простую проблему контроля перемещений посетителей в лабиринте, состоящем из четырёх помещений, связанных дверями. Требовалось найти такую комбинацию частоты открывания дверей, которая обеспечила бы посетителям наибольшее время пребывания в одной конкретной комнате.

Найти решение традиционными вычислительными средствами довольно сложно, поскольку для этого обычно требуется сначала проанализировать динамику посетителей в лабиринте. Но с помощью новых логических устройств можно подойти к решению этой задачи напрямую, поставив топологию лабиринта в соответствие с атомными состояниями, а перемещения посетителей — с туннелированием электронов.

Используя сканирующую туннельную спектроскопию, авторы могли измерить скорости туннелирования электронов и управлять ими, регулируя напряжение на зонде микроскопа и расстояние от его острия до подложки. Таким образом, проблема лабиринта оказалась сведена к нахождению сочетания напряжений и дистанций, обеспечивающих максимально долгое пребывание атома в определённом состоянии. Оптимальные величины для разных атомов могут немного различаться из-за стохастических вариаций одноэлектронной динамики. Это позволяет сравнивать между собой миллиарды логических наноустройств и находить самую лучшую комбинацию.

Учёные надеются развить достигнутый успех и применить эти наноустройства для решения широкого круга все более сложных проблем — используя прямое моделирование без преобразования задачи в двоичный вид.