二维磁性设备将能实现类似大脑的概率计算机

据悉，怀俄明大学的研究人员开发了一种控制二维材料磁态的新方法，有望在计算技术和能源效率方面取得革命性的进步。

想象一下这样一个未来：计算机可以模仿人类的思维方式进行学习和决策，但速度和效率都比当前计算机的能力高出几个数量级。

磁控制的突破

怀俄明大学的一个研究小组发明了一种创新的方法，来控制超薄二维范德华磁体中的微小磁态 —— 这一过程类似于拨动电灯开关控制灯泡的过程。

华盛顿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吉发（音译）说：“我们的发现可能会导致先进的存储设备，这些设备可以存储更多的数据，消耗更少的能量，或者使全新类型的计算机能够快速解决目前难以解决的问题。”

田吉发是一篇题为“在几层范德华磁体中隧道电流控制自旋态”的论文的通讯作者，该论文发表在《自然通讯》杂志上，这是一本开放获取的多学科期刊，致力于发表生物、健康、物理、化学、地球、社会、数学、应用和工程科学等各个领域的高质量研究。

了解范德华材料

范德华材料由紧密结合的二维层组成，通过较弱的范德华力在三维空间中结合。例如，石墨是一种范德华材料，在工业中广泛用于电极、润滑剂、纤维、热交换器和电池。层间范德华力的性质允许研究人员使用透明胶带将层剥离成原子厚度。

该团队开发了一种被称为磁性隧道结的设备，它使用三碘化铬（一种只有几个原子厚的二维绝缘磁铁）夹在两层石墨烯之间。田吉发说，通过发送一个微小的电流 —— 称为隧道电流 —— 通过这个夹层，磁铁的磁畴方向（大约100纳米大小）可以在单个三碘化铬层内决定。

磁自旋控制的研究进展

具体来说，“这种隧穿电流不仅可以控制两个稳定自旋状态之间的开关方向，还可以诱导和操纵亚稳态自旋状态之间的开关，称为随机开关，”田吉发研究实验室的研究生，现在是马里兰大学的博士后研究员庄恩傅（音译）解释道。

“这一突破不仅有趣，它还非常实用。它消耗的能量比传统方法少三个数量级，类似于将旧灯泡换成LED，这标志着它可能改变未来技术的游戏规则，”田吉发说。“我们的研究可能会导致新型计算设备的发展，这些设备比以往任何时候都更快、更小、更节能、更强大。我们的研究标志着二维极限磁学的重大进步，并为新的、强大的计算平台（如概率计算机）奠定了基础。”

概率计算机的发展

传统的计算机使用比特以0和1的形式存储信息。这个二进制代码是所有经典计算过程的基础。量子计算机使用可以同时表示“0”和“1”的量子位，以指数方式提高处理能力。

田吉发表示：“在我们的工作中，我们开发了一种你可能认为是概率比特的东西，它可以根据隧道电流控制的概率在' 0 '和' 1 '（两个自旋状态）之间切换。这些比特基于超薄二维磁铁的独特特性，可以以类似于大脑神经元的方式连接在一起，形成一种新型计算机，被称为概率计算机。”

用新技术革新计算

田吉发指出：“使这些新计算机具有革命性潜力的是，它们能够处理对传统计算机甚至量子计算机来说极具挑战性的任务，例如，某些类型的复杂机器学习任务和数据处理问题。它们天生就能容忍错误，设计简单，占用空间少，这可能会带来更高效、更强大的计算技术。”

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