超越二进制：怀俄明大学研究人员用二维磁性器件实现类脑概率计算机

想象一下，在未来，计算机能够以模仿人类思维的方式进行学习和决策，而且其速度和效率要比目前的计算机能力高出几个数量级。怀俄明大学的研究人员开发出一种控制二维材料磁性状态的新方法，有望在计算技术和能源效率方面取得革命性进展。

磁控技术的突破

怀俄明大学的一个研究小组创造了一种创新方法，可以控制超薄二维范德华磁体中的微小磁态–这一过程类似于打开电灯开关控制灯泡。

怀俄明大学物理与天文学系助理教授、量子信息科学与工程中心临时主任田纪发说：”我们的发现可能会带来存储更多数据、功耗更低的先进存储设备，或者能够开发出全新类型的计算机，快速解决目前难以解决的问题。”

怀俄明大学物理与天文系助理教授、量子信息科学与工程中心临时主任田纪发。资料来源：怀俄明大学

田是一篇题为”Tunneling current-controlled spin states in few-layer van der Waals magnets”的论文的通讯作者，该论文于5月1日发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。

了解范德华材料

范德瓦耳斯材料由结合力较强的二维层组成，这些二维层通过较弱的范德瓦耳斯力在三维空间结合在一起。例如，石墨就是一种范德华材料，在工业中广泛用于电极、润滑剂、纤维、热交换器和电池。研究人员可以利用层间范德华力的性质，使用Scotch胶带将层间剥离成原子厚度。

研究小组开发了一种被称为磁隧道结的装置，它使用三碘化铬–一种只有几个原子厚的二维绝缘磁体–夹在两层石墨烯之间。通过向夹层发送微小的电流（称为隧道电流），磁铁的磁畴（大小约为100纳米）方向就能在单个三碘化铬层中得到控制。

磁自旋控制的进展

具体来说，”这种隧道电流不仅能控制两个稳定自旋态之间的切换方向，还能诱导和操纵瞬变自旋态之间的切换，即随机切换。这一突破不仅引人入胜，而且非常实用。与传统方法相比，它的能耗要低三个数量级，就像把旧灯泡换成发光二极管一样，这可能会改变未来技术的游戏规则，”田说。”我们的研究可以开发出比以往更快、更小、更节能、更强大的新型计算设备。我们的研究标志着二维极限磁学的重大进展，并为新型、功能强大的计算平台（如概率计算机）奠定了基础。”

开发概率计算机

传统计算机使用比特将信息存储为 0 和 1。这种二进制代码是所有传统计算过程的基础。量子计算机使用量子比特，可以同时表示”0″和”1″，从而成倍提高处理能力。

田说：”在我们的工作中，我们开发出了你可能认为是概率位的东西，它可以根据隧道电流控制概率在’0’和’1’（两种自旋状态）之间切换。这些比特基于超薄二维磁体的独特特性，能以类似大脑神经元的方式连接在一起，形成一种新型计算机，即概率计算机。”

新技术带来计算革命

“这些新型计算机之所以具有潜在的革命性意义，是因为它们能够处理对传统计算机甚至量子计算机来说都极具挑战性的任务，例如某些类型的复杂机器学习任务和数据处理问题，它们具有天然的容错性，设计简单，占用空间较小，这可能会带来更高效、更强大的计算技术”。