TEK BİR SÜPERİLETKEN GİRDAPTAN YAPILMIŞ BİR BELLEK BİTİ

Landauer 1961’de bilgiyi ısıya bağladı: bir bellek bitini geri döndürülemez biçimde silmek, belirli bir miktardan, k_B T ln 2’den az olmayan bir ısı açığa çıkarmalıdır; burada T sıcaklık, k_B ise fiziğin sabit bir sayısı olan Boltzmann sabitidir: bu bedel yalnızca sıcaklığa bağlıdır. Bu sınıra daha önce optik cımbızlarla hareket ettirilen mikroskobik boncuklarla, büyük süperiletken devrelerle ve tek moleküllü mıknatıslarla yaklaşılmıştı.

Bir bit, bir süperiletken girdabın (superconducting vortex) konumunda da saklanabilir — bir süperiletkenin içindeki, manyetik bir sondanın minicik bir manyetik alan lekesi olarak gördüğü küçük bir burgaç. Bu tür bitler, bugünün kuantum bilgisayarlarının çalıştığı derin soğukta işleyebilecek çok tutumlu bellekler için aday. Ama tek bir girdabı birkaç nanometre kaydırmak ne kadar enerjiye mal olur? Önceki deneyler tek tek girdapların enerji harcadığını görmüş ama buna hiçbir zaman bir sayı koyamamıştı; üstelik hiçbir termometre bu kadar az ısıyı yakalayacak kadar duyarlı değil.

Termometresiz bir fısıltıyı tartmak

Kudüs İbrani Üniversitesi’nden Nofar Fridman, Hadar Steinberg, Yonathan Anahory ve meslektaşları, Amerika Birleşik Devletleri, İsviçre ve Almanya’daki ortaklarıyla birlikte başka bir yol izledi. 55 nanometre kalınlığındaki bir niyobyum filmi 10 mikrometre genişliğinde bir şerit biçiminde desenleyip 4,2 kelvine soğuttular. Ucunda süperiletken bir algılayıcı taşıyan bir taramalı mikroskop (yaklaşık 250 nanometre çaplı bir halkaya sahip bir “SQUID-on-tip”), 300 nanometre yukarıda gezinerek manyetik alanın haritasını çıkardı ve sonunda tek, yalıtılmış bir girdap buldu.

Ardından salınımlı bir akım, girdabı femtonewton (bir newtonun milyarda birinin milyonda biri) cinsinden ölçülen, 4’ten 100’ün üzerine kadar uzanan kuvvetlerle ileri geri itti — yarım miliamperlik bir akım yaklaşık 65 femtonewton veriyor. Mikroskop hareketi yaklaşık 0,3 nanometrelik bir duyarlılıkla izledi. İşin sırrı zamanlamada: hareketin itmenin gerisinde kalan kısmı, her döngüde girdap üzerinde yapılan işi, dolayısıyla girdabın harcadığı enerjiyi ölçüyor. Sıcaklık okumasına gerek yok.

İki çukur, bir bit

Film, bir girdabın takılıp kaldığı (“çivilendiği”, pinning) çukurlardan oluşan bir manzara sunuyor. Tek bir çukurda girdap, saptanamayacak kadar az enerji harcıyor. İlginç yerler çift kuyular: aralarında küçük bir enerji bariyeri bulunan, yan yana iki durma noktası. Sol ya da sağ — işte bir bit. Ekip bu tür noktaları manzarayı sabit bir akımla hafifçe eğerek buldu ve ele veren bir sinyalle doğruladı: kendi hâline bırakıldığında girdap iki konum arasında rastgele gidip geliyordu.

Kritik bir kuvvetin altında, itilen girdap çukurunda kalıyor ve hiçbir iş görünmüyor. Bu kuvvetin yakınında, zaman zaman öbür tarafa sıçramaya başlıyor ve iş birden fırlıyor. Kuvvetin çok üzerinde ise girdap her yarım döngüde bariyeri aşıyor ve iş sabitleniyor. Çift kuyuya bağlı olarak bu bedel geniş ölçüde değişti — tam bir ileri geri döngü için Landauer sınırının dört katına kadar indi.

Bariyerleri çok alçak olan iki çift kuyuda, itilmediği zamanlarda girdabı yalnızca ısı sıçratıyordu: saniyede yaklaşık 7.000 ve 3.000 kez. Bu gidip gelmeden ölçülen hızlar, sürülen hareketten uydurularak elde edilenlerle örtüştü ve bir bariyer üzerinden sıçrayan bir girdabın bilgisayar modeli ölçümleri yeniden üretti.

Sınırın altında — ve buna neden izin var

Düşük sürme frekanslarında döngü başına ölçülen iş Landauer sınırının altına düştü. Yazarlar hiçbir yasanın neden çiğnenmediğini açıklıyor. Landauer sınırı, değeri bilinmeyen bir bitin silinmesiyle ilgilidir: bit zamanın yarısında zaten hedef durumdadır. Düzenli bir ileri geri hareket farklıdır: her itme iyi tanımlanmış bir konumdan başlar.

Bu yüzden gerçek bir silmeyi simüle ettiler: girdap rastgele olarak iki çukurdan birinde başlıyor ve manzara, bir döngünün dörtte biri boyunca bir kez eğiliyor; sonuç 1.000 deneme üzerinden ortalanıyor. Yüksek frekansta bu, tam bir ileri geri döngüden dört kat daha az tutuyor: bir döngü iki sıçrama yaparken bir silme bir sıçrama yapar ve zamanın yarısında bir silme hiç sıçrama gerektirmez. Düşük frekansta gerçek silme, Landauer’in gerektirdiği gibi sınırın üzerinde kalıyor. Düzenli sallanma ise sınırın altına iniyor, çünkü bit ayarlandığında ısı olarak açığa çıkan düzensizliği (entropiyi), ısı onu yeniden karıştırdığında girdap geri alıyor — yazarlar bu alışverişi genişleyen bir gazın soğumasına benzetiyor. Ama kendiliğinden bu kadar sık sıçrayan bir girdap zaten bir bit tutamaz.

Kullanılabilir bir bit için, ekibin simülasyonuna göre varılan sonuç: aletin ulaşabildiği en yüksek sürme frekansı olan 150 kilohertzde Landauer sınırının yaklaşık beş katı — aynı çift kuyunun döngü başına düşük frekanstakinden daha pahalıya geldiği bir frekans.

Ne kadar hızlı olabilir?

Araştırmacılar, bir girdabın çukur değiştirmesinin yaklaşık 4 nanosaniye sürdüğünü tahmin ediyor; bu, Landauer sınırının kabaca on katı bir bedelle saniyede 250 milyon işleme yetiyor. Başka malzemeler ve özel olarak tasarlanmış çivileme noktaları daha da hızlı olabilir. Girdap bitlerini, kuantum işlemcilerin hemen yanında duran klasik bellekler olarak, daha ileride ise girdapları hareket ettirmeye dayanan kuantum hesaplama düzenleri için bir araç olarak görüyorlar.

Geriye bir adım kalıyor: ölçümleri düzenli bir salınıma dayandığından, tek ve gerçek bir silmenin bedelini henüz doğrudan ölçemiyor — bu rakam hâlâ simülasyona dayanıyor.