La résolution numérique de problèmes de calcul toujours plus grands et complexes est devenue trop énergivore, entravée par les limites intrinsèques de l’électronique numérique classique. Cela motive le développement d’architectures non conventionnelles telles que les machines d’Ising (IM), qui projettent les problèmes d’optimisation combinatoire sur l’hamiltonien d’Ising de spins binaires couplés. Similaire à un matériau magnétique, un tel système relaxe vers son minimum d’énergie global, représentant la solution du problème encodé. Exploiter la dynamique intrinsèque des systèmes physiques plutôt que le calcul numérique promet ainsi un gain important en vitesse et en efficacité énergétique.
Une IM peut fonctionner selon deux configurations. Le premier, déterministe, utilisé dans les IM à oscillateurs (OIM) et les matrices de memristors, repose sur des schémas de recuit pour échapper aux minima locaux et atteindre le minimum global. Le second, probabiliste, exploite le bruit inhérent aux dispositifs, comme avec les jonctions tunnel magnétiques stochastiques (SMTJ). Le paysage énergétique est alors exploré stochastiquement et l’état fondamental est déduit de la distribution de probabilité. Les nano-oscillateurs à transfert de spin (STNO) sont une alternative spintronique attrayante: compacts, CMOS-compatibles et versatiles, ils ont servi à diverses tâches de calcul et ont été proposés comme nœuds d’OIM, où le spin est encodé dans les états de phase binaires fixés par le verrouillage par injection à la seconde harmonique (SHIL).
Jusqu’ici, les STNO ont surtout été étudiés en simulation, dans un cadre déterministe. Dans cette thèse, nous exploitons le caractère aléatoire de la phase du STNO pour construire, en matériel, une IM probabiliste, spatiale et entièrement programmable. La mise en œuvre expérimentale aborde les trois ingrédients de l’hamiltonien d’Ising: des spins stochastiques contrôlables, des champs de biais locaux programmables et un couplage accordable entre spins. Le premier ingrédient découle du SHIL, associé aux fluctuations thermiquement activées de la phase entre ses deux états stables. Avec un circuit analogique de lecture de phase, nous montrons qu’un STNO sous SHIL se comporte comme un spin d’Ising stochastique non biaisé, propriété aussi exploitée pour générer des flux de bits non biaisés. Biaiser ce spin est un défi, car la symétrie des phases s’est révélée indépendante des propriétés du STNO comme de l’excitation SHIL. Toutefois, un signal radiofréquence (RF) en courant ou en champ magnétique, à la première harmonique, brise cette symétrie. Ce biais offre un contrôle déterministe et continu de la distribution de probabilité des phases via sa phase et son amplitude. Étayé par des simulations d’équations de Thiele et une modélisation suivant une loi d’Arrhenius, le spin d’Ising STNO peut ainsi fonctionner comme un bit probabiliste. Cela réalise le terme de champ de biais local de l’hamiltonien et étend les réseaux de STNO pilotés par SHIL au-delà des IM, vers la logique inversible et l’inférence probabiliste.
Avec le spin programmable acquis, il reste à établir le couplage entre spins, ajustable en intensité comme en signe. Nous avons démontré que le couplage par un champ magnétique via une ligne de champ intégrée est le meilleur choix et permet un contrôle complet de son amplitude et de son signe, complétant les briques d’une IM à base de STNO.
Ces briques sont ensuite assemblées, avec des composants RF du commerce, en une plateforme couplant jusqu’à cinq STNO par leurs lignes de champ; une IM à trois nœuds y a été démontrée. Ces résultats établissent le STNO comme une unité de spin stochastique polyvalente, traçant un parcours allant du spin unique au réseau programmable couplé. Cela ouvre une voie au-delà des modèles binaires, comme ceux de Potts ou XY, où la dynamique de phase stochastique des STNO constitue une piste attrayante.​


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