UM BIT DE MEMÓRIA FEITO DE UM ÚNICO REDEMOINHO SUPERCONDUTOR

Em 1961, Landauer ligou a informação ao calor: apagar de forma irreversível um bit de memória precisa liberar pelo menos uma certa quantidade de calor, k_B T ln 2, em que T é a temperatura e k_B é a constante de Boltzmann, um número fixo da física: o custo depende apenas da temperatura. Esse limite já foi aproximado com microesferas movidas por pinças ópticas, com grandes circuitos supercondutores e com ímãs de uma única molécula.

Um bit também pode ser armazenado na posição de um vórtice supercondutor — um minúsculo redemoinho dentro de um supercondutor que uma sonda magnética enxerga como um pontinho de campo magnético. Esses bits são candidatos a memórias muito econômicas, capazes de funcionar no frio extremo em que operam os computadores quânticos atuais. Mas quanta energia custa mover um vórtice por alguns nanômetros? Experimentos anteriores viram vórtices isolados dissiparem energia sem nunca atribuir um número a isso, e nenhum termômetro é sensível o bastante para captar tão pouco calor.

Pesar um sussurro sem termômetro

Nofar Fridman, Hadar Steinberg, Yonathan Anahory e colegas da Universidade Hebraica de Jerusalém, com parceiros nos Estados Unidos, na Suíça e na Alemanha, seguiram outro caminho. Eles recortaram um filme de nióbio de 55 nanômetros de espessura numa faixa de 10 micrômetros de largura e o resfriaram a 4,2 kelvin. Um microscópio de varredura com um sensor supercondutor na ponta (um “SQUID-on-tip”, com um anel de cerca de 250 nanômetros de diâmetro) pairava 300 nanômetros acima, mapeando o campo magnético até encontrar um único vórtice isolado.

Uma corrente oscilante empurrava então o vórtice para lá e para cá com forças contadas em femtonewtons (um milionésimo de bilionésimo de newton), de 4 a mais de 100 — uma corrente de meio miliampere dá cerca de 65. O microscópio acompanhava o movimento com uma sensibilidade de cerca de 0,3 nanômetro. O segredo está no tempo: a parte do movimento que fica atrasada em relação ao empurrão mede o trabalho realizado sobre o vórtice a cada ciclo e, portanto, a energia que ele dissipa. Nenhuma medida de temperatura é necessária.

Duas cavidades, um bit

O filme oferece uma paisagem de cavidades onde um vórtice fica preso (“ancorado”, pinning). Numa única cavidade, o vórtice desperdiça pouca energia demais para ser detectada. Os lugares interessantes são os poços duplos: dois pontos de repouso lado a lado, separados por uma pequena barreira de energia. Esquerda ou direita — isso é um bit. A equipe encontrou esses pontos inclinando suavemente a paisagem com uma corrente constante, e os confirmou por um sinal revelador: deixado em paz, o vórtice alternava ao acaso entre duas posições.

Abaixo de uma força crítica, o vórtice empurrado fica na sua cavidade e nenhum trabalho aparece. Perto dessa força, ele começa a saltar de vez em quando para o outro lado, e o trabalho dispara. Bem acima dela, o vórtice atravessa a barreira a cada meio ciclo e o trabalho se estabiliza. Dependendo do poço duplo, esse custo variava muito — descendo até quatro vezes o limite de Landauer para um ciclo completo de vaivém.

Em dois poços duplos com barreiras muito baixas, só o calor fazia o vórtice saltar, cerca de 7.000 e 3.000 vezes por segundo quando ele não estava sendo empurrado. As taxas medidas a partir dessa alternância coincidiam com as obtidas por ajuste do movimento forçado, e um modelo computacional de um vórtice saltando sobre uma barreira reproduziu as medidas.

Abaixo do limite — e por que isso é permitido

Em baixas frequências de excitação, o trabalho medido por ciclo caiu abaixo do limite de Landauer. Os autores explicam por que nenhuma lei é violada. O limite de Landauer diz respeito a apagar um bit cujo valor é desconhecido: metade das vezes, ele já está no estado-alvo. Um vaivém regular é diferente: cada empurrão parte de uma posição bem definida.

Eles simularam então um verdadeiro apagamento: o vórtice começa ao acaso numa das duas cavidades, e a paisagem é inclinada uma única vez, ao longo de um quarto de ciclo, com média sobre 1.000 execuções. Em alta frequência, isso custa quatro vezes menos que um ciclo completo de vaivém: um ciclo faz dois saltos onde um apagamento faz um, e metade das vezes um apagamento não precisa de salto nenhum. Em baixa frequência, o verdadeiro apagamento permanece acima do limite, como Landauer exige. O balanço regular fica abaixo porque a desordem (a entropia) liberada em forma de calor quando o bit é fixado é retomada pelo vórtice quando o calor o embaralha de novo — um vaivém que os autores comparam ao resfriamento de um gás que se expande. Mas um vórtice que salta sozinho com tanta frequência não consegue mesmo guardar um bit.

Resultado final para um bit utilizável, segundo a simulação deles: cerca de cinco vezes o limite de Landauer a 150 quilohertz, a frequência mais alta com que o instrumento conseguia excitá-lo — uma frequência em que o mesmo poço duplo custa mais por ciclo do que em baixa frequência.

A que velocidade poderia funcionar?

Os pesquisadores estimam que um vórtice leva cerca de 4 nanossegundos para trocar de cavidade, o suficiente para 250 milhões de operações por segundo, a um custo de aproximadamente dez vezes o limite de Landauer. Outros materiais e sítios de ancoragem projetados sob medida poderiam ir ainda mais rápido. Eles veem os bits de vórtice como uma memória clássica situada bem ao lado dos processadores quânticos e, mais adiante, como uma ferramenta para esquemas de computação quântica baseados no deslocamento de vórtices.

Falta um passo: a medida deles depende de uma oscilação regular, então ainda não consegue cronometrar diretamente o custo de um único apagamento verdadeiro — esse número continua a depender da simulação.