BIT MEMORI DARI SATU PUSARAN SUPERKONDUKTOR

Pada 1961, Landauer mengaitkan informasi dengan panas: menghapus satu bit memori secara ireversibel harus melepaskan setidaknya sejumlah panas tertentu, k_B T ln 2, dengan T adalah suhu dan k_B adalah konstanta Boltzmann, sebuah bilangan tetap dalam fisika: biayanya hanya bergantung pada suhu. Batas ini pernah didekati sebelumnya dengan manik-manik mikroskopis yang digerakkan oleh pinset optik, dengan sirkuit superkonduktor berukuran besar, dan dengan magnet molekul tunggal.

Sebuah bit juga dapat disimpan dalam posisi sebuah vorteks superkonduktor — pusaran mungil di dalam superkonduktor yang terlihat oleh probe magnetik sebagai titik medan magnet yang amat kecil. Bit semacam itu menjadi kandidat untuk memori yang sangat hemat yang dapat bekerja di suhu sangat dingin tempat komputer kuantum masa kini beroperasi. Namun berapa besar energi yang dibutuhkan untuk menggeser satu vorteks sejauh beberapa nanometer? Eksperimen sebelumnya melihat vorteks tunggal membuang energi tanpa pernah bisa menyebutkan angkanya, dan tidak ada termometer yang cukup peka untuk menangkap panas sekecil itu.

Menimbang bisikan tanpa termometer

Nofar Fridman, Hadar Steinberg, Yonathan Anahory, dan rekan-rekannya di Hebrew University of Jerusalem, bersama mitra di Amerika Serikat, Swiss, dan Jerman, menempuh jalan lain. Mereka membentuk lapisan niobium setebal 55 nanometer menjadi sebuah jalur selebar 10 mikrometer dan mendinginkannya hingga 4,2 kelvin. Sebuah mikroskop pemindai yang membawa sensor superkonduktor di ujungnya (“SQUID-on-tip”, dengan lingkar berdiameter sekitar 250 nanometer) melayang 300 nanometer di atasnya, memetakan medan magnet hingga menemukan satu vorteks tunggal yang terisolasi.

Arus yang berosilasi kemudian mendorong vorteks itu bolak-balik dengan gaya yang dihitung dalam femtonewton (sepersejuta dari sepermiliar newton), dari 4 hingga lebih dari 100 — arus setengah miliampere menghasilkan sekitar 65. Mikroskop itu melacak gerakannya dengan kepekaan sekitar 0,3 nanometer. Kuncinya adalah waktu: bagian gerakan yang tertinggal dari dorongan mengukur kerja yang dilakukan pada vorteks dalam setiap siklus, dan karena itu energi yang dibuangnya. Tidak perlu pembacaan suhu.

Dua cekungan, satu bit

Lapisan itu menyediakan lanskap cekungan tempat vorteks tersangkut (“terjepit”, pinned). Di satu cekungan tunggal, vorteks membuang energi terlalu sedikit untuk dapat terdeteksi. Tempat-tempat yang menarik adalah sumur ganda (double wells): dua tempat diam yang bersebelahan, dipisahkan oleh penghalang energi kecil. Kiri atau kanan — itulah sebuah bit. Tim itu menemukan tempat-tempat semacam itu dengan memiringkan lanskap secara perlahan menggunakan arus tetap, dan memastikannya lewat sebuah sinyal khas: ketika dibiarkan, vorteks itu berpindah-pindah secara acak di antara dua posisi.

Di bawah gaya kritis, vorteks yang didorong tetap di cekungannya dan tidak ada kerja yang terlihat. Di dekat gaya itu, vorteks mulai sesekali melompat ke sisi lain, dan kerjanya melonjak. Jauh di atasnya, vorteks melintasi penghalang setiap setengah siklus dan kerjanya mendatar. Bergantung pada sumur gandanya, biaya itu sangat bervariasi — hingga serendah empat kali batas Landauer untuk satu siklus bolak-balik penuh.

Di dua sumur ganda dengan penghalang sangat rendah, panas saja sudah membuat vorteks melompat, sekitar 7.000 dan 3.000 kali per detik ketika tidak sedang didorong. Laju yang diukur dari perpindahan acak itu cocok dengan laju yang diperoleh dari pencocokan gerakan yang didorong, dan model komputer dari sebuah vorteks yang melompati penghalang mereproduksi hasil pengukuran.

Di bawah batas — dan mengapa itu diperbolehkan

Pada frekuensi penggerak rendah, kerja terukur per siklus turun di bawah batas Landauer. Para penulis menjelaskan mengapa tidak ada hukum yang dilanggar. Batas Landauer berlaku untuk penghapusan bit yang nilainya tidak diketahui: separuh waktu, bit itu sudah berada dalam keadaan sasaran. Gerak bolak-balik yang teratur berbeda: setiap dorongan bermula dari posisi yang pasti.

Karena itu mereka menyimulasikan penghapusan sejati: vorteks bermula secara acak di salah satu cekungan, dan lanskap dimiringkan sekali, selama seperempat siklus, dirata-ratakan atas 1.000 kali percobaan. Pada frekuensi tinggi, ini memakan biaya empat kali lebih kecil daripada satu siklus bolak-balik penuh: satu siklus melakukan dua lompatan sedangkan penghapusan melakukan satu, dan separuh waktu penghapusan sama sekali tidak memerlukan lompatan. Pada frekuensi rendah, penghapusan sejati tetap di atas batas, seperti yang disyaratkan Landauer. Ayunan teratur itu turun di bawah batas karena ketidakteraturan (entropi) yang dilepaskan sebagai panas ketika bit ditetapkan diambil kembali oleh vorteks ketika guncangan termal mengacaknya lagi — sebuah proses memberi dan menerima yang oleh para penulis dibandingkan dengan cara gas mendingin ketika memuai. Namun vorteks yang melompat sendiri sesering itu toh tidak dapat menyimpan bit.

Kesimpulan untuk bit yang dapat dipakai, menurut simulasi mereka: sekitar lima kali batas Landauer pada 150 kilohertz, frekuensi tercepat yang dapat diberikan oleh instrumen itu — frekuensi ketika sumur ganda yang sama memakan biaya per siklus lebih besar daripada pada frekuensi rendah.

Seberapa cepat bisa berjalan?

Para peneliti memperkirakan bahwa sebuah vorteks memerlukan sekitar 4 nanodetik untuk berpindah cekungan, cukup untuk 250 juta operasi per detik, dengan biaya kira-kira sepuluh kali batas Landauer. Material lain dan situs penjepitan yang direkayasa dapat bekerja lebih cepat lagi. Mereka melihat bit vorteks sebagai memori klasik yang berada tepat di samping prosesor kuantum, dan lebih jauh lagi, sebagai alat untuk skema komputasi kuantum yang didasarkan pada pemindahan vorteks.

Satu langkah masih tersisa: pengukuran mereka bergantung pada osilasi yang teratur, sehingga belum dapat mengukur langsung biaya satu penghapusan sejati — angka itu masih bersandar pada simulasi.