L’informatique de nouvelle génération remplace les transistors par des points quantiques

Les scientifiques mettent au point des molécules à valence mixte dans des automates à points quantiques pour un fonctionnement plus rapide à température ambiante, dépassant ainsi les limites des transistors.

Les scientifiques adoptent une approche alternative de l’informatique, en remplaçant les composants conventionnels appelés transistors par des molécules à valence mixte pour construire des automates cellulaires à points quantiques.

“[This] est un paradigme informatique classique de faible consommation », ont écrit les chercheurs dans leur étude publié dans le Journal de chimie computationnelle. “Les molécules à valence mixte peuvent fournir des résultats à l’échelle nanométrique [computing] appareils prenant en charge les vitesses de commutation térahertz [compared to current gigahertz in transistor-based processors] et fonctionnement à température ambiante.

Cet abandon des transistors est nécessaire car les améliorations des ordinateurs à transistors ont considérablement ralenti ces dernières années en raison de limitations physiques (un nombre limité de transistors peuvent être installés sur une puce) et de la diminution des gains de performances.

Molécules à valence mixte

Un concurrent intrigant dans le domaine des systèmes informatiques alternatifs implique ceux construits sur des molécules de valence mixtes, qui possèdent des électrons externes appelés électrons de valence capables de « sauter » autour de la molécule en réponse à un champ électrique externe.

Ce comportement est dû au fait que, parmi tous les électrons qui composent une molécule, ils sont les moins étroitement liés au noyau de l’atome. Cela les rend plus sensibles aux changements de leur environnement, tels que les champs électromagnétiques appliqués ou l’influence d’une molécule ou d’un atome à proximité.

Dans un ordinateur basé sur des molécules à valence mixte, les unités fondamentales sont les molécules elles-mêmes, où les informations sont stockées en fonction de la position de l’électron de valence dans la molécule, de manière analogue aux bits trouvés dans les ordinateurs conventionnels.

“L’idée de base est de manipuler des états électroniques localisés (ou orbitales moléculaires) dans des “cellules”, non pas pour commuter le courant comme avec les transistors, mais plutôt pour représenter des informations basées sur la charge moléculaire locale”, explique David Drabold, professeur émérite au Département de Physique et Astronomie de l’Université de l’Ohio, qui n’a pas participé à l’étude. “Le concept convient à l’informatique générale, contrairement à l’informatique quantique.”

Pour comprendre quelles molécules agiraient comme les meilleurs « morceaux », des scientifiques dirigés par Enrique Blair, professeur agrégé au Département de génie électrique et informatique de l’Université Baylor au Texas, ont mené une analyse théorique des propriétés de plusieurs molécules à valence mixte, telles que comme cation moléculaire hydrogène (H₂+), anion moléculaire hydrogène (H₂-), et diverses molécules carbonées cationiques et anioniques, comme les dimères d’éthylène et d’allyle, qui avaient déjà été proposées dans la littérature à cet effet.

La façon dont une molécule à valence mixte peut fonctionner comme bit d’ordinateur dépend de la sensibilité de ses électrons de valence au champ électrique ainsi que du degré auquel son état change lorsque la molécule à valence mixte interagit avec les ions proches – des molécules ou des atomes avec un supplément. ou des électrons manquants.

L’influence d’un autre ion localisé de manière aléatoire peut affecter la position d’un électron de valence, son comportement et l’ampleur du champ électrique nécessaire pour transférer l’électron d’un état à un autre – un comportement crucial pour les fonctions de base de ces appareils informatiques.

“Quand ionique [mixed-valence] les molécules sont utilisées comme cellules d’automates cellulaires à points quantiques, les contre-ions externes produits lors de la préparation du dispositif se localisent de manière aléatoire à proximité des dispositifs », ont expliqué les chercheurs. « Une telle charge parasite localisée au hasard peut affecter […] fonctionnement de l’appareil de manière incontrôlable et imprévisible.

Les Zwitterions à la rescousse

Les scientifiques ont donc utilisé la modélisation informatique pour étudier la dynamique et le comportement des électrons de valence lorsqu’ils sont sous l’influence d’un ion proche dans des molécules ioniques à valence mixte connues. Ils ont découvert que les électrons de valence dans les molécules mentionnées précédemment étaient en fait fortement influencés par les ions situés à proximité, un problème car si les bits ne peuvent pas maintenir leur état, l’ordinateur ne fonctionnera pas de manière fiable.

Les zwitterions ont été explorés comme une solution possible à ce problème car, comparés aux autres candidats qui existent en tant que molécules chargées, ils contiennent à la fois une charge positive et négative placée dans la même molécule à des emplacements bien définis, ce qui donne une charge neutre nette.

“Nous concevons deux types de molécules neutres zwitterioniques avec des contre-ions intégrés”, ont expliqué les chercheurs. “De par sa conception, le contre-ion intégré évite de biaiser l’état d’un quelconque dispositif moléculaire, puisqu’il est situé au centre de la molécule.”

En raison de l’emplacement des électrons de valence, ces zwitterions sont moins susceptibles d’attirer des ions externes aléatoires qui pourraient se produire à proximité du bit moléculaire, ce qui leur permet de mieux conserver leur forme et la capacité de leurs électrons à répondre de la manière souhaitée. chemin.

“Il s’agit d’une approche prometteuse et très originale pour surmonter les limites de la technologie informatique conventionnelle, qui semble se rapprocher des limites physiques fondamentales pour un développement ultérieur”, a déclaré Drabold. “L’espoir réside dans des dispositifs dotés d’une densité plus élevée et d’une génération de chaleur réduite, deux Saint Graal de la nouvelle conception informatique.”

Des tests en conditions réelles sont encore nécessaires

Bien que les résultats de l’équipe soient très prometteurs, il reste encore beaucoup de travail expérimental et informatique à faire pour vérifier comment ces éléments moléculaires pourraient se comporter dans un contexte réel. La faisabilité dépendra des performances des zwitterions proposés, et avec la mise en œuvre de toute technologie à grande échelle, de nombreuses difficultés imprévues pourraient survenir.

« Une limite pratique de leur approche est qu’ils se limitent à [computational] molécules, alors que les matériaux réels seront bien sûr tridimensionnels et impliqueront peut-être des effets d’interaction électrique à longue portée obscurcis par les calculs moléculaires », a commenté Drabold. “Ainsi, une prochaine étape pourrait inclure une analyse plus minutieuse de leur schéma informatique dans les matériaux réels.”

“Comme pour toute nouvelle technologie, il existe des obstacles à sa réalisation pratique”, a poursuivi Drabold. « Quelles molécules utiliser ? Quel processus de croissance ? Quels sont les effets des impuretés ? Comment garantir de petites erreurs adéquates à des températures pratiques ? Les auteurs n’ont considéré qu’un seul problème important : celui du « bruit ionique ».

Le projet, pour l’instant, constitue un excellent point de départ, les chercheurs espérant qu’il existe d’autres molécules zwitterioniques encore mieux adaptées à cet objectif.

Bien qu’un ordinateur basé sur des molécules à valence mixte soit encore loin d’être terminé, cette recherche constitue une étape importante vers la création de dispositifs qui pourraient être plusieurs fois plus puissants, plus compacts et plus économes en énergie que ceux dont nous disposons actuellement.

Référence : Einrique P Blair, et al., Études ab initio des effets des contre-ions dans les automates cellulaires moléculaires à points quantiques, Journal de chimie computationnelle (2023). DOI : 10.1002/jcc.27247

Crédit image vedette : Shubham Dhage sur Unsplash