एकाच अतिवाहक भोवऱ्यापासून बनलेला स्मृती-बिट

1961 मध्ये, Landauer यांनी माहितीचा संबंध उष्णतेशी जोडला: स्मृतीतील एक बिट अपरिवर्तनीयपणे पुसल्यास किमान ठरावीक प्रमाणात उष्णता, k_B T ln 2, बाहेर पडलीच पाहिजे, जिथे T म्हणजे तापमान आणि k_B म्हणजे बोल्टझमन स्थिरांक, भौतिकशास्त्रातील एक ठरावीक संख्या: ही किंमत केवळ तापमानावर अवलंबून असते. प्रकाशीय चिमट्यांनी (optical tweezers) हलवलेले सूक्ष्म मणी, मोठे अतिवाहक परिपथ आणि एक-रेणू चुंबक यांच्याद्वारे या मर्यादेच्या जवळ याआधीही पोहोचण्यात आले आहे.

बिट अतिवाहक भोवऱ्याच्या (superconducting vortex) स्थानातही साठवता येतो — अतिवाहकाच्या आतील एक इवलासा भोवरा, जो चुंबकीय शोधकाला चुंबकीय क्षेत्राचा एक सूक्ष्म ठिपका म्हणून दिसतो. आजचे क्वांटम संगणक ज्या अतिथंड वातावरणात चालतात तिथे काम करू शकणाऱ्या, अतिशय काटकसरी स्मृतींसाठी असे बिट उमेदवार आहेत. पण एक भोवरा काही नॅनोमीटर हलवण्यासाठी किती ऊर्जा लागते? आधीच्या प्रयोगांनी एकेकट्या भोवऱ्यांना ऊर्जा व्यय करताना पाहिले, पण तिचा आकडा कधीच काढला नाही, आणि इतकी कमी उष्णता पकडण्याइतका संवेदनशील कोणताही तापमापक नाही.

तापमापकाविना एका कुजबुजीचे वजन

जेरुसलेमच्या हिब्रू विद्यापीठातील Nofar Fridman, Hadar Steinberg, Yonathan Anahory आणि सहकाऱ्यांनी, अमेरिका, स्वित्झर्लंड आणि जर्मनीतील भागीदारांसोबत, वेगळा मार्ग स्वीकारला. त्यांनी 55 नॅनोमीटर जाडीच्या नायोबियम पटलाला 10 मायक्रोमीटर रुंद पट्टीचा आकार दिला आणि ते 4.2 केल्व्हिनपर्यंत थंड केले. टोकावर अतिवाहक संवेदक असलेला एक क्रमवीक्षी सूक्ष्मदर्शक (एक “SQUID-on-tip”, ज्याचे वलय सुमारे 250 नॅनोमीटर रुंद आहे) 300 नॅनोमीटर वर तरंगत, एकटा, अलग भोवरा सापडेपर्यंत चुंबकीय क्षेत्राचा नकाशा तयार करत राहिला.

मग एका दोलायमान विद्युतप्रवाहाने भोवऱ्याला फेम्टोन्यूटनमध्ये (एका न्यूटनच्या अब्जांशाचाही दशलक्षांश) मोजल्या जाणाऱ्या, 4 पासून 100 हून अधिकपर्यंतच्या बलांनी मागे-पुढे ढकलले — अर्धा मिलिअँपिअर प्रवाह सुमारे 65 देतो. सूक्ष्मदर्शकाने सुमारे 0.3 नॅनोमीटर संवेदनशीलतेने ही हालचाल टिपली. कळीचा मुद्दा आहे वेळेचा: हालचालीचा जो भाग धक्क्याच्या मागे रेंगाळतो, तो प्रत्येक आवर्तनात भोवऱ्यावर केलेले कार्य, आणि म्हणून त्याने व्यय केलेली ऊर्जा, मोजतो. तापमानाचे वाचन घेण्याची गरज नाही.

दोन खळगे, एक बिट

पटलामध्ये खळग्यांचे एक भूदृश्य असते, जिथे भोवरा अडकून राहतो (pinning). एकाच खळग्यात, भोवरा शोधता येण्याइतकी ऊर्जा वाया घालवत नाही. रोचक ठिकाणे म्हणजे दुहेरी विहिरी (double wells): शेजारी शेजारी असलेल्या, एका लहान ऊर्जा-अडथळ्याने विभागलेल्या दोन विसाव्याच्या जागा. डावी किंवा उजवी — हाच बिट. संघाने एका स्थिर विद्युतप्रवाहाने भूदृश्य हलकेच कलते करून अशा जागा शोधल्या, आणि एका सूचक संकेताने त्यांची खात्री केली: एकटा सोडल्यावर, भोवरा दोन स्थानांदरम्यान यादृच्छिकपणे आलटून पालटून उड्या मारत होता.

एका क्रांतिक बलाखाली, ढकललेला भोवरा आपल्या खळग्यातच राहतो आणि कोणतेही कार्य दिसत नाही. त्या बलाजवळ, तो अधूनमधून दुसऱ्या बाजूला उडी मारू लागतो, आणि कार्य झपाट्याने वाढते. त्याच्या खूप वर, भोवरा प्रत्येक अर्ध-आवर्तनात अडथळा ओलांडतो आणि कार्य स्थिरावते. दुहेरी विहिरीनुसार ही किंमत मोठ्या प्रमाणात बदलली — एका पूर्ण मागे-पुढे आवर्तनासाठी Landauer यांच्या मर्यादेच्या चारपटीपर्यंत खाली.

अतिशय कमी अडथळे असलेल्या दोन दुहेरी विहिरींमध्ये, ढकलले जात नसताना, केवळ उष्णतेमुळे भोवरा उड्या मारत होता, सेकंदाला सुमारे 7,000 आणि 3,000 वेळा. त्या आलटून पालटून उड्यांवरून मोजलेले दर ढकललेल्या हालचालीवरून जुळवलेल्या दरांशी जुळले, आणि अडथळ्यावरून उडी मारणाऱ्या भोवऱ्याच्या एका संगणकीय मॉडेलने मोजमापांचे पुनरुत्पादन केले.

मर्यादेखाली — आणि ते का चालते

कमी चालक वारंवारतांवर, प्रत्येक आवर्तनातील मोजलेले कार्य Landauer यांच्या मर्यादेखाली गेले. कोणताही नियम का मोडत नाही, हे लेखक स्पष्ट करतात. Landauer यांची मर्यादा ज्याचे मूल्य अज्ञात आहे असा बिट पुसण्याशी संबंधित आहे: अर्ध्या वेळा तो आधीच लक्ष्य स्थितीत असतो. स्थिर मागे-पुढे हालचाल वेगळी आहे: प्रत्येक धक्का एका सुनिश्चित स्थानापासून सुरू होतो.

म्हणून त्यांनी खऱ्या पुसण्याचे सिम्युलेशन केले: भोवरा यादृच्छिकपणे दोन्हीपैकी कोणत्याही खळग्यात सुरू होतो, आणि भूदृश्य एकदाच, एक-चतुर्थांश आवर्तनात, कलते केले जाते; 1,000 फेऱ्यांची सरासरी घेतली गेली. उच्च वारंवारतेवर, याचा खर्च पूर्ण मागे-पुढे आवर्तनापेक्षा चारपट कमी असतो: एका आवर्तनात दोन उड्या होतात, तर पुसण्यात एक, आणि अर्ध्या वेळा पुसण्याला उडीची गरजच नसते. कमी वारंवारतेवर, खरे पुसणे Landauer यांच्या अटीप्रमाणे मर्यादेच्या वर राहते. स्थिर झुलवणे मर्यादेखाली जाते, कारण बिट ठरवला जातो तेव्हा उष्णतेच्या रूपात बाहेर पडणारी अव्यवस्था (एन्ट्रॉपी), औष्णिक खळबळ त्याला पुन्हा विस्कळीत करते तेव्हा भोवरा परत घेतो — या देवाणघेवाणीची तुलना लेखक प्रसरण पावताना वायू थंड होण्याशी करतात. पण इतक्या वेळा स्वतःहून उड्या मारणारा भोवरा तसाही बिट धरून ठेवू शकत नाही.

वापरण्याजोग्या बिटसाठी अंतिम निष्कर्ष, त्यांच्या सिम्युलेशननुसार: 150 किलोहर्ट्झवर, म्हणजे उपकरण जास्तीत जास्त ज्या वेगाने चालवू शकले त्यावर, Landauer यांच्या मर्यादेच्या सुमारे पाचपट — आणि या वारंवारतेवर तीच दुहेरी विहीर कमी वारंवारतेपेक्षा प्रत्येक आवर्तनात जास्त खर्च करते.

तो किती वेगवान होऊ शकतो?

संशोधकांचा अंदाज आहे की भोवऱ्याला खळगा बदलायला सुमारे 4 नॅनोसेकंद लागतात, जे सेकंदाला 25 कोटी क्रियांसाठी पुरेसे आहे, आणि त्याचा खर्च Landauer यांच्या मर्यादेच्या ढोबळमानाने दहापट असतो. इतर पदार्थ आणि अभियांत्रिकीद्वारे घडवलेली अडकवणारी स्थाने याहूनही वेगवान ठरू शकतात. ते भोवरा-बिटकडे क्वांटम प्रोसेसरच्या अगदी शेजारी बसणारी अभिजात स्मृती म्हणून पाहतात, आणि पुढे जाऊन, भोवरे इकडे-तिकडे हलवण्यावर आधारित क्वांटम संगणन योजनांसाठीचे एक साधन म्हणून.

एक पायरी उरली आहे: त्यांचे मोजमाप स्थिर दोलनावर अवलंबून आहे, त्यामुळे ते अजून एकाच, खऱ्या पुसण्याचा खर्च थेट मोजू शकत नाही — तो आकडा अजूनही सिम्युलेशनवर आधारित आहे.