ఒకే ఒక అతివాహక సుడితో చేసిన మెమరీ బిట్

1961లో, లాండావర్ సమాచారాన్ని ఉష్ణంతో ముడిపెట్టారు: ఒక మెమరీ బిట్‌ను తిరిగి రాని విధంగా (irreversibly) చెరిపేస్తే, కనీసం ఒక నిర్దిష్ట పరిమాణంలో ఉష్ణం విడుదల కావాలి — k_B T ln 2, ఇక్కడ T ఉష్ణోగ్రత, k_B బోల్ట్స్‌మాన్ స్థిరాంకం, భౌతికశాస్త్రంలోని ఒక స్థిర సంఖ్య — ఆ వ్యయం ఉష్ణోగ్రతపై మాత్రమే ఆధారపడుతుంది. ఆప్టికల్ ట్వీజర్లతో కదిలించిన సూక్ష్మ పూసలతో, పెద్ద అతివాహక వలయాలతో, ఏక-అణు అయస్కాంతాలతో ఈ పరిమితిని ఇంతకుముందు సమీపించారు.

ఒక బిట్‌ను అతివాహక సుడి (superconducting vortex) స్థానంలో కూడా నిల్వ చేయవచ్చు — అతివాహకం లోపల ఉండే ఒక అతి చిన్న సుడిగుండం, అయస్కాంత ప్రోబ్‌కు అది అయస్కాంత క్షేత్రపు ఒక సూక్ష్మ చుక్కలా కనిపిస్తుంది. నేటి క్వాంటం కంప్యూటర్లు పనిచేసే తీవ్రమైన చలిలో పనిచేయగల, అత్యంత పొదుపైన మెమరీలకు ఇలాంటి బిట్‌లు అభ్యర్థులు. కానీ ఒక సుడిని కొన్ని నానోమీటర్లు కదిలించడానికి ఎంత శక్తి ఖర్చవుతుంది? అంతకుముందటి ప్రయోగాలు ఒంటరి సుడులు శక్తిని వెదజల్లడాన్ని (dissipation) చూశాయి, కానీ దానికి ఎప్పుడూ ఒక సంఖ్యను ఇవ్వలేదు, ఇంత తక్కువ ఉష్ణాన్ని పట్టుకునేంత సున్నితమైన థర్మామీటర్ ఏదీ లేదు.

థర్మామీటర్ లేకుండా ఒక గుసగుసను తూచడం

జెరూసలేం హీబ్రూ విశ్వవిద్యాలయానికి చెందిన నోఫార్ ఫ్రిడ్‌మన్, హదర్ స్టైన్‌బర్గ్, యోనాతన్ అనహోరీ, సహచరులు — అమెరికా, స్విట్జర్లాండ్, జర్మనీలలోని భాగస్వాములతో కలిసి — మరో మార్గాన్ని ఎంచుకున్నారు. వారు 55 నానోమీటర్ల మందమున్న నియోబియం పొరను 10 మైక్రోమీటర్ల వెడల్పున్న పట్టీగా రూపొందించి, దాన్ని 4.2 కెల్విన్‌కు చల్లబరిచారు. కొనపై అతివాహక సెన్సార్‌ను మోసుకెళ్లే ఒక స్కానింగ్ సూక్ష్మదర్శిని (సుమారు 250 నానోమీటర్ల అడ్డుకొలత గల లూప్‌తో ఒక “SQUID-on-tip”) 300 నానోమీటర్ల ఎత్తులో తిరుగుతూ, ఒకే ఒంటరి సుడిని కనుగొనే వరకు అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని మ్యాప్ చేసింది.

తర్వాత ఒక డోలన విద్యుత్ ప్రవాహం సుడిని అటూ ఇటూ నెట్టింది — ఫెమ్టోన్యూటన్లలో (ఒక న్యూటన్‌లో బిలియన్ వంతులో మిలియన్ వంతు) లెక్కించే బలాలతో, 4 నుంచి 100కు పైగా — అర మిల్లీఆంపియర్ విద్యుత్ ప్రవాహం సుమారు 65 ఇస్తుంది. సూక్ష్మదర్శిని ఆ కదలికను సుమారు 0.3 నానోమీటర్ల సున్నితత్వంతో అనుసరించింది. కీలకం సమయం: కదలికలో నెట్టు కంటే వెనకబడే భాగం, ప్రతి చక్రంలో సుడిపై చేసిన పనిని కొలుస్తుంది, తద్వారా అది వెదజల్లే శక్తిని కూడా. ఉష్ణోగ్రత కొలత అవసరం లేదు.

రెండు గుంటలు, ఒక బిట్

పొర, సుడి చిక్కుకుపోయే (“పిన్” అయ్యే, pinning) గుంటల భూదృశ్యాన్ని అందిస్తుంది. ఒకే గుంటలో, సుడి గుర్తించలేనంత తక్కువ శక్తిని వృథా చేస్తుంది. ఆసక్తికరమైన ప్రదేశాలు జంట బావులు (double wells): ఒక చిన్న శక్తి అవరోధంతో వేరైన, ప్రక్కప్రక్కనే ఉన్న రెండు విశ్రాంతి స్థానాలు. ఎడమ లేదా కుడి — అదే ఒక బిట్. స్థిరమైన విద్యుత్ ప్రవాహంతో భూదృశ్యాన్ని మెల్లగా వంచడం ద్వారా బృందం అలాంటి స్థానాలను కనుగొంది, ఒక స్పష్టమైన సంకేతంతో వాటిని నిర్ధారించింది: ఒంటరిగా వదిలేసినప్పుడు, సుడి రెండు స్థానాల మధ్య యాదృచ్ఛికంగా మిణుకుమిణుకుమంది.

ఒక క్రాంతిక బలం (critical force) కంటే తక్కువలో, నెట్టబడిన సుడి తన గుంటలోనే ఉంటుంది, ఏ పనీ కనిపించదు. ఆ బలానికి దగ్గరలో, అది అప్పుడప్పుడు అవతలి వైపుకు దూకడం మొదలుపెడుతుంది, పని ఒక్కసారిగా పెరుగుతుంది. దానికి చాలా పైన, సుడి ప్రతి అర్ధ-చక్రంలో అవరోధాన్ని దాటుతుంది, పని స్థిరపడుతుంది. జంట బావిని బట్టి, ఆ వ్యయం విస్తృతంగా మారింది — ఒక పూర్తి అటూ ఇటూ చక్రానికి లాండావర్ పరిమితికి నాలుగు రెట్ల వరకు తగ్గింది.

చాలా తక్కువ అవరోధాలున్న రెండు జంట బావుల్లో, నెట్టనప్పుడు ఉష్ణం ఒక్కటే సుడిని దూకేలా చేసింది — సెకనుకు సుమారు 7,000, 3,000 సార్లు. ఆ మిణుకుమిణుకు నుంచి కొలిచిన రేట్లు, నెట్టబడిన కదలిక నుంచి సరిపోల్చి రాబట్టిన రేట్లతో సరిపోయాయి, ఒక అవరోధం మీదుగా దూకే సుడి యొక్క కంప్యూటర్ నమూనా కొలతలను పునరుత్పత్తి చేసింది.

పరిమితి కంటే కింద — అది ఎందుకు అనుమతించబడింది

తక్కువ నడిపే పౌనఃపున్యాల వద్ద, కొలిచిన ఒక్కో చక్రపు పని లాండావర్ పరిమితి కంటే కిందకు పడిపోయింది. ఏ నియమమూ ఎందుకు ఉల్లంఘించబడలేదో రచయితలు వివరిస్తారు. లాండావర్ పరిమితి విలువ తెలియని ఒక బిట్‌ను చెరిపేయడానికి సంబంధించినది: సగం సార్లు అది ఇప్పటికే లక్ష్య స్థితిలో ఉంటుంది. స్థిరమైన అటూ ఇటూ కదలిక భిన్నమైనది: ప్రతి నెట్టూ బాగా నిర్వచించిన ఒక స్థానం నుంచి మొదలవుతుంది.

కాబట్టి వారు నిజమైన చెరిపివేతను అనుకరించారు: సుడి ఏ గుంటలోనైనా యాదృచ్ఛికంగా మొదలవుతుంది, భూదృశ్యాన్ని ఒక్కసారి, పావు చక్రం పాటు వంచుతారు, 1,000 ప్రయత్నాలపై సగటు తీసుకుంటారు. అధిక పౌనఃపున్యం వద్ద, దీనికి పూర్తి అటూ ఇటూ చక్రం కంటే నాలుగు రెట్లు తక్కువ ఖర్చవుతుంది: ఒక చక్రం రెండు దూకులు చేస్తే, ఒక చెరిపివేత ఒకటే చేస్తుంది, పైగా సగం సార్లు చెరిపివేతకు దూకు అవసరమే లేదు. తక్కువ పౌనఃపున్యం వద్ద, లాండావర్ కోరినట్లే, నిజమైన చెరిపివేత పరిమితికి పైనే ఉంటుంది. స్థిరమైన ఊపు పరిమితి కంటే కిందకు దిగడానికి కారణం: బిట్‌ను నిర్ణయించినప్పుడు ఉష్ణంగా విడుదలైన అస్తవ్యస్తతను (ఎంట్రోపీ), ఉష్ణం దాన్ని మళ్లీ కలగాపులగం చేసినప్పుడు సుడి తిరిగి తీసుకుంటుంది — రచయితలు ఈ ఇచ్చిపుచ్చుకోవడాన్ని, వ్యాకోచించే వాయువు చల్లబడే తీరుతో పోలుస్తారు. కానీ అంత తరచుగా తనంతట తానే దూకే సుడి ఎలాగూ ఒక బిట్‌ను నిలుపుకోలేదు.

ఉపయోగించదగిన బిట్‌కు తుది ఫలితం, వారి అనుకరణ ప్రకారం: 150 కిలోహెర్ట్జ్ వద్ద — పరికరం నడపగలిగిన అత్యధిక వేగం — లాండావర్ పరిమితికి సుమారు ఐదు రెట్లు; ఈ పౌనఃపున్యం వద్ద అదే జంట బావికి తక్కువ పౌనఃపున్యం వద్ద కంటే ప్రతి చక్రానికి ఎక్కువ ఖర్చవుతుంది.

ఎంత వేగంగా వెళ్ళగలదు?

ఒక సుడి గుంటలు మార్చడానికి సుమారు 4 నానోసెకన్లు పడుతుందని పరిశోధకులు అంచనా వేస్తారు — సెకనుకు 25 కోట్ల కార్యకలాపాలకు సరిపడా, లాండావర్ పరిమితికి సుమారు పది రెట్ల వ్యయంతో. ఇతర పదార్థాలు, ప్రత్యేకంగా రూపొందించిన పిన్నింగ్ స్థానాలు ఇంకా వేగంగా వెళ్ళగలవు. వారు సుడి బిట్‌లను క్వాంటం ప్రాసెసర్ల పక్కనే ఉండే సాంప్రదాయ (classical) మెమరీగా, ఇంకా ముందుకు చూస్తే, సుడులను కదిలించడంపై ఆధారపడిన క్వాంటం కంప్యూటింగ్ పథకాలకు ఒక సాధనంగా చూస్తున్నారు.

ఇంకా ఒక అడుగు మిగిలి ఉంది: వారి కొలత స్థిరమైన డోలనంపై ఆధారపడుతుంది, కాబట్టి అది ఇంకా ఒకే ఒక్క, నిజమైన చెరిపివేత వ్యయాన్ని నేరుగా కొలవలేదు — ఆ సంఖ్య ఇంకా అనుకరణపైనే ఆధారపడి ఉంది.