The Economist - 04.12.2021

84 Science & technology The Economist December 4th 2021

Another member of the project, Shash­

ank  Misra,  says  coinflips’ researchers

have  identified  two  hardware­based  ap­

proaches  for  the  production  of  tuneable,

abundant random numbers. One relies on

the  patterns  magnetic  films  make  when

disturbed, the other on how electrons tra­

vel through the barrier of a quantum­tun­

nelling diode. Both of these things are truly

random. And both can be tuned to provide

the  sort  of  random­number  distributions

coinflipsrequires.

In  a  quantum­tunnelling  diode,  elec­

trons randomly leap (or fail to leap) across

a  gap,  and  the  distribution  of  success  or

failure  can  be  changed  (and  therefore

tuned) by altering the voltage. A magnetic

film, meanwhile, is composed of many ti­

ny  magnets  jostling  with  each  other.  Flip

the  polarity  of  one  of  these  and  others

around  it  flip  in  response,  creating  a  ran­

dom  pattern.  In  this  case  the  plan  is  to

build  tuneability  into  the  magnetic  medi­

um  itself,  by  tinkering  with  its  composi­

tion, and also applying strain to it. 

Random­number­generating  hardware

based on either of these approaches could

be built directly into chips. Alternatively, a

random­number­generating unit might be

added  to  existing  devices  to  yield  an  end­

less  supply  of  high­speed  randomness  in

the way that graphics­processing units are

added to machines that have to handle a lot

of graphical material. Crucially, unlike the

heat­flux  method,  which  requires  inter­

mediate hardware involving thousands of

transistors to translate the signal into digi­

tal  bits,  the  results  of  the  diode  and  film

methods can be read off as bits directly, us­

ing only one or two transistors to do so. 

The  efficiency  offered  by  coinflips

means some tasks which currently require

a supercomputer might be carried out with

desktop  hardware,  depending  on  how

much  of  the  load  involves  generating  and

manipulating  random  numbers.  Dr  Ai­

mone  says  the  current  approach  tends  to

be simply to build bigger computers where

needed.  But  even  then  some  large­scale

tasks may be too costly in money and time

lost to conduct. You can, for example, run a

model  of  a  hurricane’s  path  only  so  many

times before the real thing makes landfall.

The heart of the matter

Despite  its  peregrinations  elsewhere,

though, Sandia is ultimately in the nuclear

business,  and  one  early  application  of

whatever coinflipscomes up with is like­

ly to involve interpreting the results of col­

lisions  in  particle  accelerators—some­

thing the team have been exploring in col­

laboration with Temple University, in Phil­

adelphia.  The  idea  is  to  build  a  device

which  incorporates  coinflips hardware

into  the  sensor  itself.  This  will  allow  re­

sults  from  collisions,  which  will  be  ran­

domly distributed, but in particular ways,

tobecomparedwithartificialrandomdis­

tributions,toseeiftheymatch.Tobeable

todothisinrealtimeisuseful,becauseit

allowsanimmediatedecisiontobemade

aboutwhetherornottostorea particular

result.Moderncollidersgeneratesomany

collisionsthat suchimmediacyin deci­

sion­makingisimportant.

Thatisone,ratherspecific,application.

But inthelonger run, says Dr Aimone,

coinflips shouldenable many typesof

calculationthatarecurrentlyimpossible

becauseofthevolumeofrandomnumbers

needed—for example, artificial­intelli­

gencesystemsthatcapturetheuncertainty

oftheworld.Thismightbedoneinthe

formofneuralnetworks which,likethe

humanbrain,haverandomnessavailable

ateachsynapse.Andthat,inturn,maylead

tocoinflips, a projectinspiredbybiology,

returningthecomplimentbyprovidinga

betterwayofunderstandingofhowbrains

themselveswork.n

Planetology

The memory

of water

E

arth—the quintessential blue planet—

has  not  always  been  covered  by  water.

Around  4.6bn  years  ago,  in  the  solar  sys­

tem’s early years, the energetic young sun’s

radiation meant the zone immediately sur­

rounding it was hot and dry. Earth, then co­

alescing  from  dust  and  gas  in  this  region,

thus  began  as  a  desiccated  rock.  How  it

subsequently acquired its oceans has long

puzzled planetary scientists. 

One  possible  source  of  Earth’s  water  is

carbonaceous (c­type) asteroids, the most

common variety. But it cannot be the sole

source,  because  water  in  chunks  of  these

that  have  landed  as  meteorites  does  not

match the isotopic fingerprint of terrestri­

al water. This fingerprint is the ratio of nor­

mal water (H 2 O, made from hydrogen and

oxygen)  to  heavy  water  (D 2 O  and  HDO,

which both include deuterium, an isotope

of hydrogen that has a neutron in its nucle­

us  alongside  the  proton  characteristic  of

every  hydrogen  atom).  Water  from  c­type

asteroids  has  more  deuterium  in  it  than

does terrestrial water.

Another  possibility  is  comets,  which

are  basically  dirty  snowballs  that  arrive

from  the  outer  solar  system.  A  barrage  of

these  a  few  hundred  million  years  after

Earth’s formation would have done the job

nicely. But samples returned from comets

by spacecraft suggest their isotopic finger­

print is even less Earthlike than that of c­

type asteroids. So, as Luke Daly, a planetary

geoscientist  at  the  University  of  Glasgow,

in Britain, observes: “It basically means we

need  something  else  in  our  solar  system,

some other reservoir of water to be on the

lighter side to balance the books.” 

In their search for this reservoir, Dr Da­

ly’s team recently studied grains of silicate

dust from another sample­return mission,

to  an  asteroid  called  Itokawa(pictured).

This is an s­type (stony) body, with a com­

position different from that of c­types. The

grains had been brought back by Hayabusa,

a Japanese craft, in 2011. 

Grains  of  this  sort  formed  at  the  same

time as Earth, and then spent the interven­

ing billions of years orbiting the sun, occa­

sionally gathering into tiny rocks or falling

onto the surfaces of asteroids, such as Ito-

kawa,  to  create  a  fine­grained  regolith.

Most,  though,  have  remained  free­float­

ing. Indeed, they are collectively visible at

sunrise and sunset, in clear, dark skies, as a

faint glow known as the Zodiacal light.

Using  a  technique  called  atom­probe

tomography,  Dr  Daly  was  able  to  examine

the  composition  of  the  grains  in  his  pos­

session one atom at a time. He found, as he

describes in this week’s Nature Astronomy,

that  they  contained  a  significant  amount

of water just below their surfaces. That sur­

prised  him.  What  was  intriguing,  though,

was his discovery’s lack of deuterium.

Dr  Daly  reckons  this  water’s  existence

can  be  explained  by  weathering  of  the

space dust over billions of years by the so­

lar  wind,  a  stream  of  charged  particles—

mostly protons—that flows out into space

from  the  sun.  When  they  hit  a  particle  of

space  dust,  these  protons  penetrate  a  few

nanometres below the surface and change

its chemical composition. In particular, if a

proton knocks out one of the metal atoms

in a silicate’s crystal lattice, it is then likely

to  bond  with  an  adjacent  oxygen  atom  to

form  a  hydroxide  ion  (OH­).  Add  a  second

To find the origin of the oceans, look

in outer space

Acosmic reservoir