UN BIT DE MÉMOIRE FAIT D'UN SEUL TOURBILLON SUPRACONDUCTEUR

En 1961, Landauer a relié l’information à la chaleur : effacer de façon irréversible un bit de mémoire doit dégager au moins une certaine quantité de chaleur, k_B T ln 2, où T est la température et k_B la constante de Boltzmann, un nombre fixe de la physique : le coût ne dépend que de la température. Cette limite a déjà été approchée avec des billes microscopiques déplacées par des pinces optiques, avec de grands circuits supraconducteurs et avec des aimants faits d’une seule molécule.

Un bit peut aussi être stocké dans la position d’un vortex supraconducteur — un minuscule tourbillon au sein d’un supraconducteur, qu’une sonde magnétique voit comme une infime tache de champ magnétique. De tels bits sont candidats pour des mémoires très sobres, capables de fonctionner dans le grand froid où tournent les ordinateurs quantiques actuels. Mais combien d’énergie coûte le déplacement d’un seul vortex sur quelques nanomètres ? Des expériences précédentes avaient vu des vortex isolés dissiper de l’énergie sans jamais la chiffrer, et aucun thermomètre n’est assez sensible pour saisir si peu de chaleur.

Peser un murmure d’énergie sans thermomètre

Nofar Fridman, Hadar Steinberg, Yonathan Anahory et leurs collègues de l’Université hébraïque de Jérusalem, avec des partenaires aux États-Unis, en Suisse et en Allemagne, ont pris un autre chemin. Ils ont gravé un film de niobium de 55 nanomètres d’épaisseur en une bande de 10 micromètres de large, refroidie à 4,2 kelvins. Un microscope à balayage portant un capteur supraconducteur sur sa pointe (un « SQUID sur pointe », dont la boucle mesure environ 250 nanomètres) survolait l’échantillon à 300 nanomètres, cartographiant le champ magnétique jusqu’à trouver un vortex isolé.

Un courant oscillant poussait ensuite le vortex d’avant en arrière, avec des forces qui se comptent en femtonewtons (un millionième de milliardième de newton), de 4 à plus de 100 — un courant d’un demi-milliampère en donne environ 65. Le microscope suivait le mouvement avec une sensibilité d’environ 0,3 nanomètre. Tout tient au minutage : la part du mouvement en retard sur la poussée mesure le travail fourni au vortex à chaque cycle, donc l’énergie qu’il dissipe. Pas besoin de mesurer une température.

Deux creux, un bit

Le film offre un paysage de creux où un vortex reste accroché. Dans un creux unique, le vortex gaspille trop peu d’énergie pour qu’on la détecte. Les endroits intéressants sont les doubles puits : deux positions de repos côte à côte, séparées par une petite barrière d’énergie. À gauche ou à droite — voilà un bit. L’équipe a trouvé de tels endroits en inclinant doucement le paysage avec un courant continu, et les a confirmés par un signal révélateur : laissé à lui-même, le vortex sautillait au hasard entre deux positions.

Sous une force critique, le vortex poussé reste dans son creux et aucun travail n’apparaît. Près de cette force, il commence à sauter de temps en temps de l’autre côté, et le travail grimpe en flèche. Bien au-delà, le vortex franchit la barrière à chaque demi-cycle et le travail plafonne. Selon le double puits, ce coût variait beaucoup — jusqu’à descendre à quatre fois la limite de Landauer pour un cycle complet d’aller-retour.

Dans deux doubles puits à barrière très basse, la seule agitation thermique faisait sauter le vortex environ 7 000 et 3 000 fois par seconde quand on ne le poussait pas. Les taux mesurés sur ces sautillements concordaient avec ceux tirés du mouvement forcé, et un modèle informatique d’un vortex qui saute une barrière reproduisait les mesures.

Sous la limite — et pourquoi c’est permis

Aux basses fréquences de poussée, le travail mesuré par cycle passait sous la limite de Landauer. Les auteurs expliquent pourquoi aucune loi n’est violée. La limite de Landauer porte sur l’effacement d’un bit dont la valeur est inconnue : une fois sur deux, il est déjà dans l’état visé. Un va-et-vient régulier, c’est autre chose : chaque poussée part d’une position bien définie.

Ils ont donc simulé un vrai effacement : le vortex part au hasard dans l’un des deux creux, et le paysage est incliné une seule fois, pendant un quart de cycle, en moyenne sur 1 000 essais. À haute fréquence, cela coûte quatre fois moins qu’un cycle complet d’aller-retour — un saut au lieu de deux, et aucun saut une fois sur deux. À basse fréquence, le vrai effacement reste au-dessus de la limite, comme l’exige Landauer. Le va-et-vient régulier passe dessous parce que le désordre (l’entropie) rendu sous forme de chaleur quand on fixe le bit est repris par le vortex quand l’agitation thermique le brouille à nouveau — un aller-retour que les auteurs comparent au refroidissement d’un gaz qui se détend. Mais un vortex qui saute aussi souvent tout seul ne peut de toute façon pas garder un bit.

Bilan pour un bit utilisable, selon leur simulation : environ cinq fois la limite de Landauer à 150 kilohertz, la fréquence la plus élevée que permettait l’instrument — une fréquence où le même double puits coûte plus par cycle qu’à basse fréquence.

Jusqu’à quelle vitesse ?

Les chercheurs estiment qu’un vortex met environ 4 nanosecondes à changer de creux, de quoi faire 250 millions d’opérations par seconde, pour un coût d’environ dix fois la limite de Landauer. D’autres matériaux et des sites d’ancrage façonnés pourraient aller plus vite encore. Ils voient les bits à vortex comme une mémoire classique installée juste à côté des processeurs quantiques, et plus loin, comme un outil pour des schémas de calcul quantique fondés sur le déplacement de vortex.

Reste une étape : leur mesure repose sur une oscillation régulière, elle ne peut donc pas encore chronométrer directement le coût d’un vrai effacement unique — ce chiffre repose encore sur la simulation.