Quantencomputer-Alternative: Superrechner aus normalen Transistoren
Quantencomputer sollen irgendwann Probleme exakt lösen, an denen normale Computer zu lange rechnen würden. Wann das der Fall sein wird, ist allerdings unklar.
Für Optimierungsprobleme, eine in der Praxis bedeutende Klasse solcher schweren Probleme, eignen sich aber auch sogenannte Ising-Maschinen. Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) haben eine solche entwickelt(öffnet im neuen Fenster), die auf Transistoren setzt.
Ising-Maschinen, teils auch als Annealer bezeichnet, lösen Optimierungsprobleme durch die Minimierung des energetischen Zustands eines Systems. Angelehnt sind sie an das Ising-Modell(öffnet im neuen Fenster), das ursprünglich zur Beschreibung ferromagnetischer Kristalle entwickelt wurde.
Dieses nimmt eine Reihe von Atomen an, die in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet sind und entweder einen positiven oder negativen Spin haben. Die Stärke der Kopplung, also der gegenseitigen Beeinflussung zweier Gitterpunkte, bestimmt das Verhalten.
Um auf dieser Grundlage ein Optimierungsproblem zu lösen, muss es in die Kopplungsstärken der Gitterpunkte übersetzt werden. Der energieminimale Zustand stellt die optimale Lösung dar. Die koreanischen Forscher nutzen in ihrer Umsetzung Transistoren als Oszillator. Die Phase der Schwingung codiert den Spinwert, pro Gitterpunkt wird nur ein Transistor benötigt.
Kompakter und einfacher als andere Ansätze
Wie die Forscher in einer Veröffentlichung im Fachmagazin Science Advances schreiben(öffnet im neuen Fenster), ist es nicht der erste Anlauf, Ising-Maschinen mit CMOS-Prozessen zu bauen. Vorherige Konzepte stellten Spinwerte aber mit SRAM-Zellen dar, die jeweils sechs Transistoren benötigen.
Auch die Darstellung über Oszillatoren ist keine neue Idee. Indem die Forschern hierfür einfache Transistoren zu nutzten, konnten sie allerdings sowohl den Energie- und Flächenbedarf reduzieren als auch die Kopplung der einzelnen Gitterpunkte vereinfachen.
Die Oszillation wird dabei mittels Metall-Isolator-Übergang(öffnet im neuen Fenster) realisiert. Auch die Kopplung erfolgt über einen Transistor. Über die Gate-Spannungen kann die Frequenz der Oszillatoren abgestimmt und die Kopplungsstärke eingestellt werden.
Zentrale Innovation ist die Nutzung unterschiedlicher Transistor-Designs: Während die Koppeltransistoren klassisch planar aufgebaut sind, werden für die Oszillatoren vertikale Transistoren genutzt. Die kommen auch etwa als Auslesetransistoren bei 4F2-DRAM oder Multi-Layer-NAND-Flash zum Einsatz.
Mit Max Cut(öffnet im neuen Fenster) demonstrierten die Forscher bereits die Optimierung eines NP-vollständigen Problems. Ziel dieser Optimierungsaufgabe ist es, einen Graphen so in zwei Gruppen von Knoten zu unterteilen, dass die Anzahl der Verbindungen zwischen beiden maximal ist. Hierfür ist, wie für andere NP-vollständige und -harte Probleme, kein Algorithmus mit polynomieller Laufzeit bekannt, der sicher die optimale Lösung findet. Da für NP-vollständige Probleme eine Reihe von Transformationen existieren, die ein Problem auf ein anderes abbilden, lassen sich auch andere Probleme bearbeiten.
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