Физикам известно, что одно из возможных решений проблемы ослабления сигнала или шума из-за внешних помех может исходить из математической концепции, называемой топологией. Это относится к свойствам, на которые не влияет изменение формы.
Например, хотите верьте, хотите нет, но мяч и карандаш топологически одинаковы, но отличаются от бублика. Это потому, что, проявив некоторое воображение, вы можете слепить шарик по форме карандаша. Однако когда вы проделываете дыру в шаре, он становится совершенно другим топологическим объектом.
Отверстия определяют топологическое состояние, они могут перемещаться внутри материала, но их количество не меняется даже при наличии толкающих и тянущих сил. Аналогичную концепцию можно использовать в ИТ для защиты потока информации от внешних помех и примесей и обеспечения его стабильности на больших расстояниях и во времени.
Это звучит как удивительное свойство, но, как это ни парадоксально, оно также является самым большим врагом самого себя: передаваемая информация слишком стабильна, поэтому ее сложно изменить и использовать. Это казалось печальным концом истории, пока ученые IBS не продемонстрировали способ манипулировать передаваемым сигналом и, возможно, применить его к современной электронике.
Одним из ключевых компонентов физики топологической системы является солитон, чрезвычайно устойчивый уединенный волновой пакет энергии, который проходит через некоторые одномерные материалы, не теряя своей формы и энергии, что немного похоже на волну цунами. Ученые начали изучать топологические солитоны в 80-х годах, но их остановила кажущаяся невозможность манипулировать ими.В прошлом году ученые IBS исследовали свойства солитонов на двойной цепочке атомов индия, помещенных на вершину поверхности кремния, и обнаружили, что солитоны могут существовать в трех формах. «В топологическом смысле это похоже на пончик с множеством отверстий, где каждое отверстие может иметь три разные формы, соответствующие трем типам солитонов», — объясняет ЙЕОМ Хан Ун, ведущий автор этого исследования. «Раньше физики работали с солитонами (дырами) одного и того же типа, и операции, которые вы могли с ними делать, были ограничены, но теперь у нас есть больше шансов поиграть с ними».
В этом новом исследовании Йом и его команда экспериментально доказали, что переключение между этими солитонами возможно. Они заметили, что когда два солитона встречаются, они приводят к другому солитону, другими словами, они обнаружили, что солитоны могут трансформироваться, но при этом остаются невосприимчивыми к дефектам среды. «До сих пор солитоны можно было создавать или уничтожать только парами, никакие другие манипуляции были невозможны, но мы показали, что эти солитоны можно переключать с одного на другой и даже использовать для логических операций», — продолжает Йом.
Эти три типа солитонов также могут быть представлены цифрами (1, -1 и 2), а условие без солитонов — нулем (0), создавая четвертичную математическую систему. Затем четыре цифры можно использовать для математических вычислений.Четвертичные и многозначные системы в целом имеют несколько преимуществ перед двоичной (0, 1) системой, которую мы используем в настоящее время. Они позволяют выполнять больше операций и хранить информацию в меньшем пространстве, и они могут приблизить нас к устройствам, похожим на мозг, которые имитируют способ вычисления и хранения информации нашими нейронными цепями.
Открывая новую область электроники, получившую название солитоники, ученые IBS представляют себе ИТ-устройства нового поколения, сочетающие кремний и солитоны. «Мы используем солитоны, перемещающиеся в атомах индия на поверхности кремния, и мы предполагаем, что эта структура может быть реализована в современных кремниевых устройствах, создавая гибридные системы», — объясняет КИМ Тэ-Хван, первый автор этого исследования.