BIT NA ƘWAƘWALWA DA AKA YI DA GUGUWA ƊAYA TA SUPERCONDUCTOR

A 1961, Landauer ya danganta bayanai (information) da zafi: goge bit ɗaya na ƙwaƙwalwa (memory) ta yadda ba za a iya maido da shi ba dole ne ya saki aƙalla wani adadin zafi, k_B T ln 2, inda T shi ne yanayin zafi (temperature), k_B kuma shi ne madaidaicin Boltzmann (Boltzmann’s constant), wata tsayayyiyar lamba ta kimiyyar lissafi (physics): farashin ya dogara da yanayin zafi kawai. An taɓa kusantar wannan iyaka a baya da ƙananan ƙwayoyi da ake motsawa da hantsakin haske (optical tweezers), da manyan da’irorin superconductor, da kuma maganaɗisu na ƙwayar zarra (molecule) guda ɗaya.

Ana kuma iya ajiye bit a matsayin wata guguwar superconductor (superconducting vortex) — ƙaramar guguwa a cikin superconductor (abin da ke isar da wutar lantarki ba tare da wani tsaiko ba) wadda na’urar binciken maganaɗisu ke ganinta a matsayin ɗan ƙaramin ɗigon filin maganaɗisu. Irin waɗannan bits suna cikin waɗanda ake sa ran za su zama ƙwaƙwalwa masu tsimin makamashi sosai, waɗanda za su iya aiki a cikin tsananin sanyin da kwamfutocin quantum na yau ke aiki a ciki. Amma nawa ne makamashin da ake kashewa don motsa guguwa ɗaya ’yan nanomitoci? Gwaje-gwajen baya sun ga guguwoyi guda-guda suna watsar da makamashi ba tare da an taɓa ba shi adadi ba, kuma babu ma’aunin zafi (thermometer) mai hankali sosai da zai kama zafi kaɗan haka.

Auna raɗa ba tare da ma’aunin zafi ba

Nofar Fridman, Hadar Steinberg, Yonathan Anahory da abokan aikinsu a Jami’ar Hebrew ta Urushalima, tare da abokan hulɗa a Amurka, Switzerland da Jamus, sun bi wata hanya dabam. Sun tsara wani fim na niobium mai kaurin nanomita 55 zuwa zirin da faɗinsa ya kai mikromita 10 kuma suka sanyaya shi zuwa kelvin 4.2. Wata na’urar hangen ƙananan abubuwa mai bincike (scanning microscope) da ke ɗauke da firikwensin superconductor a bakinta (wani “SQUID-on-tip”, mai zobe da faɗinsa ya kai kimanin nanomita 250) ta yi shawagi nanomita 300 a sama, tana zana taswirar filin maganaɗisu har sai da ta sami guguwa ɗaya ware.

Daga nan wani lantarki mai kaiwa da komowa (oscillating current) ya tura guguwar gaba da baya da ƙarfi da ake ƙirgawa da femtonewtons (kashi ɗaya cikin miliyan na kashi ɗaya cikin biliyan na newton), daga 4 zuwa sama da 100 — lantarki na rabin milliampere yana ba da kimanin 65. Na’urar hangen ta bi motsin da hankali na kimanin nanomita 0.3. Mabuɗin shi ne lokaci: sashen motsin da ke jinkiri bayan turawar yana auna aikin da aka yi a kan guguwar a kowane zagaye, don haka makamashin da take watsarwa. Ba a buƙatar karatun yanayin zafi.

Ramuka biyu, bit ɗaya

Fim ɗin yana da shimfiɗar ramuka inda guguwa ke maƙalewa (pinning). A cikin rami ɗaya kawai, guguwar tana ɓata makamashi kaɗan da ba za a iya gano shi ba. Wuraren da ke da ban sha’awa su ne rijiyoyi biyu (double wells): wuraren hutu biyu kusa da juna, tare da ɗan ƙaramin shingen makamashi a tsakaninsu. Hagu ko dama — wannan shi ne bit. Ƙungiyar ta sami irin waɗannan wurare ta hanyar karkatar da shimfiɗar a hankali da lantarki mai tsayayye, kuma ta tabbatar da su ta wata alama mai bayyanawa: idan aka bar ta ita kaɗai, guguwar tana kyalkyali ba da tsari ba tsakanin wurare biyu.

Ƙasa da wani ƙarfi mai mahimmanci (critical force), guguwar da aka tura tana zama a cikin raminta kuma babu wani aiki da ke bayyana. Kusa da wannan ƙarfi, tana fara tsallakewa lokaci-lokaci zuwa ɗaya gefen, kuma aikin yana hauhawa sosai. Nesa sama da shi, guguwar tana ƙetare shingen a kowane rabin zagaye kuma aikin yana daidaita. Gwargwadon rijiyar biyu, wannan farashi ya bambanta sosai — har zuwa ninki huɗu na iyakar Landauer don cikakken zagaye ɗaya na gaba da baya.

A cikin rijiyoyi biyu guda biyu masu ƙananan shinge sosai, zafi kaɗai ya sa guguwar ta yi tsalle, kimanin sau 7,000 da sau 3,000 a kowace daƙiƙa lokacin da ba a tura ta. Saurin da aka auna daga wannan kyalkyali ya dace da waɗanda aka samo daga motsin da aka tura, kuma wani samfurin kwamfuta na guguwa da ke tsallake shinge ya sake samar da ma’aunan.

Ƙasa da iyakar — da dalilin da ya sa hakan ya halatta

A ƙananan mitocin turawa, aikin da aka auna a kowane zagaye ya sauka ƙasa da iyakar Landauer. Marubutan sun bayyana dalilin da ya sa ba a karya wata doka ba. Iyakar Landauer ta shafi goge bit wanda ba a san ƙimarsa ba: rabin lokaci, tuni yana cikin yanayin da ake nema. Girgizawa gaba da baya mai tsayayye ta bambanta: kowace turawa tana farawa daga wuri sananne.

Don haka suka kwaikwayi goge na gaske: guguwar tana farawa ba da tsari ba a cikin ɗaya daga cikin ramukan, kuma ana karkatar da shimfiɗar sau ɗaya, a cikin kwata na zagaye, an ɗauki matsakaici a kan gudanarwa 1,000. A mitoci masu yawa, wannan yana kashe kashi ɗaya cikin huɗu na abin da cikakken zagaye na gaba da baya ke kashewa: zagaye yana yin tsalle biyu inda goge ke yin ɗaya, kuma rabin lokaci goge ba ya buƙatar tsalle kwata-kwata. A ƙananan mitoci, goge na gaske yana nan sama da iyakar, kamar yadda Landauer ya buƙata. Girgizawa mai tsayayye tana sauka ƙasa saboda rashin tsari (entropy) da ake fitarwa a matsayin zafi lokacin da aka saita bit ɗin, guguwar na sake karɓar sa lokacin da girgizar zafi ta sake rikita ta — wani bayarwa da karɓa da marubutan suka kwatanta da yadda iskar gas ke yin sanyi idan ta faɗaɗa. Amma guguwar da ke tsalle da kanta akai-akai haka ba za ta iya riƙe bit ba ko ta yaya.

Sakamakon ƙarshe ga bit mai amfani, bisa ga kwaikwayonsu: kimanin ninki biyar na iyakar Landauer a kilohertz 150, mafi saurin da na’urar ke iya turawa — mita ce da a cikinta rijiyar biyu iri ɗaya ke kashe fiye da yadda take kashewa a ƙananan mitoci, a kowane zagaye.

Yaya saurin zai iya kaiwa?

Masu binciken sun ƙiyasta cewa guguwa tana ɗaukar kimanin nanodaƙiƙa 4 (nanoseconds) don sauya rami, abin da ya isa ga ayyuka miliyan 250 a kowace daƙiƙa, a farashin kusan ninki goma na iyakar Landauer. Wasu kayayyaki da wuraren riƙewa da aka ƙera za su iya yin sauri fiye da haka. Suna ganin bits na guguwa a matsayin ƙwaƙwalwar gargajiya (classical memory) da ke zaune kusa da na’urorin sarrafa quantum, kuma nan gaba, a matsayin kayan aiki ga tsare-tsaren lissafin quantum da suka dogara da motsa guguwoyi.

Mataki ɗaya ya rage: ma’aunin su ya dogara ne da kaiwa da komowa mai tsayayye, don haka har yanzu ba zai iya auna farashin goge guda ɗaya na gaske kai tsaye ba — wannan adadi har yanzu ya dogara da kwaikwayon.