UN BIT DE MEMORIA HECHO DE UN SOLO REMOLINO SUPERCONDUCTOR

En 1961, Landauer vinculó la información con el calor: borrar de forma irreversible un bit de memoria debe liberar al menos una cierta cantidad de calor, k_B T ln 2, donde T es la temperatura y k_B la constante de Boltzmann, un número fijo de la física: el coste solo depende de la temperatura. Ya se había rozado ese límite con microesferas desplazadas por pinzas ópticas, con grandes circuitos superconductores y con imanes de una sola molécula.

Un bit también puede almacenarse en la posición de un vórtice superconductor, un diminuto remolino dentro de un superconductor que una sonda magnética ve como una minúscula mancha de campo magnético. Estos bits son candidatos para memorias muy austeras que podrían funcionar en el frío extremo en el que operan los ordenadores cuánticos actuales. Pero ¿cuánta energía cuesta mover un vórtice unos pocos nanómetros? Experimentos anteriores vieron vórtices individuales disipar energía sin llegar nunca a cuantificarla, y ningún termómetro es lo bastante sensible para captar tan poco calor.

Pesar un susurro sin termómetro

Nofar Fridman, Hadar Steinberg, Yonathan Anahory y sus colegas de la Universidad Hebrea de Jerusalén, con socios en Estados Unidos, Suiza y Alemania, tomaron otro camino. Grabaron una película de niobio de 55 nanómetros de espesor en forma de tira de 10 micrómetros de ancho y la enfriaron a 4,2 kelvin. Un microscopio de barrido con un sensor superconductor en la punta (un «SQUID-on-tip», con un lazo de unos 250 nanómetros de diámetro) se mantenía a 300 nanómetros por encima y cartografiaba el campo magnético hasta encontrar un único vórtice aislado.

Después, una corriente oscilante empujaba el vórtice de un lado a otro con fuerzas que se cuentan en femtonewtons (una millonésima de milmillonésima de newton), de 4 a más de 100: una corriente de medio miliamperio da unos 65. El microscopio seguía el movimiento con una sensibilidad de unos 0,3 nanómetros. La clave está en la sincronización: la parte del movimiento que va con retraso respecto al empuje mide el trabajo realizado sobre el vórtice en cada ciclo y, por tanto, la energía que disipa. Sin necesidad de medir la temperatura.

Dos huecos, un bit

La película ofrece un paisaje de huecos donde un vórtice queda atrapado («anclado»). En un solo hueco, el vórtice desperdicia demasiado poca energía para detectarla. Los lugares interesantes son los pozos dobles: dos puntos de reposo uno junto al otro, separados por una pequeña barrera de energía. Izquierda o derecha: eso es un bit. El equipo encontró esos puntos inclinando suavemente el paisaje con una corriente constante, y los confirmó mediante una señal reveladora: cuando se le dejaba en paz, el vórtice oscilaba al azar entre dos posiciones.

Por debajo de una fuerza crítica, el vórtice empujado se queda en su hueco y no aparece ningún trabajo. Cerca de esa fuerza, empieza a saltar de vez en cuando al otro lado, y el trabajo se dispara. Muy por encima, el vórtice cruza la barrera en cada semiciclo y el trabajo se estabiliza. Según el pozo doble, ese coste variaba mucho: hasta un mínimo de cuatro veces el límite de Landauer por un ciclo completo de ida y vuelta.

En dos pozos dobles con barreras muy bajas, el calor por sí solo hacía saltar al vórtice, unas 7.000 y 3.000 veces por segundo cuando no se le empujaba. Las tasas medidas a partir de esas oscilaciones coincidían con las obtenidas por ajuste del movimiento forzado, y un modelo informático de un vórtice que salta por encima de una barrera reproducía las mediciones.

Por debajo del límite, y por qué está permitido

A bajas frecuencias de forzado, el trabajo medido por ciclo cayó por debajo del límite de Landauer. Los autores explican por qué no se viola ninguna ley. El límite de Landauer se refiere al borrado de un bit cuyo valor se desconoce: la mitad de las veces ya está en el estado buscado. Un vaivén regular es distinto: cada empuje parte de una posición bien definida.

Así que simularon un verdadero borrado: el vórtice empieza al azar en cualquiera de los dos huecos y el paisaje se inclina una sola vez, durante un cuarto de ciclo, con un promedio sobre 1.000 ejecuciones. A alta frecuencia, esto cuesta cuatro veces menos que un ciclo completo de ida y vuelta: un ciclo implica dos saltos donde un borrado implica uno, y la mitad de las veces un borrado no necesita ningún salto. A baja frecuencia, el verdadero borrado se mantiene por encima del límite, como exige Landauer. El vaivén regular baja del límite porque el desorden (la entropía) cedido en forma de calor cuando se fija el bit lo recupera el vórtice cuando la agitación térmica lo desordena de nuevo, un toma y daca que los autores comparan con el enfriamiento de un gas que se expande. Pero un vórtice que salta solo con tanta frecuencia no puede guardar un bit de todos modos.

El balance para un bit utilizable, según su simulación: unas cinco veces el límite de Landauer a 150 kilohercios, la frecuencia más alta a la que el instrumento podía forzarlo, una frecuencia en la que el mismo pozo doble cuesta más por ciclo que a baja frecuencia.

¿Hasta qué velocidad podría llegar?

Los investigadores estiman que un vórtice tarda unos 4 nanosegundos en cambiar de hueco, lo que basta para 250 millones de operaciones por segundo, con un coste de aproximadamente diez veces el límite de Landauer. Otros materiales y puntos de anclaje diseñados a medida podrían ir aún más rápido. Ven los bits de vórtice como una memoria clásica situada justo al lado de los procesadores cuánticos y, a más largo plazo, como una herramienta para esquemas de computación cuántica basados en desplazar vórtices.

Queda un paso: su medición depende de una oscilación regular, así que todavía no puede cronometrar directamente el coste de un único borrado verdadero; esa cifra sigue basándose en la simulación.