MỘT BIT NHỚ LÀM TỪ MỘT XOÁY SIÊU DẪN DUY NHẤT

Năm 1961, Landauer đã liên kết thông tin với nhiệt: xóa một bit bộ nhớ một cách không thuận nghịch phải tỏa ra ít nhất một lượng nhiệt nhất định, k_B T ln 2, trong đó T là nhiệt độ và k_B là hằng số Boltzmann, một con số cố định của vật lý: chi phí này chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Giới hạn này đã từng được tiếp cận bằng những hạt vi mô được di chuyển bằng nhíp quang học, bằng các mạch siêu dẫn lớn và bằng các nam châm đơn phân tử.

Một bit cũng có thể được lưu trữ ở vị trí của một xoáy siêu dẫn (superconducting vortex) — một cơn lốc nhỏ xíu bên trong chất siêu dẫn mà một đầu dò từ nhìn thấy như một đốm từ trường cực nhỏ. Những bit như vậy là ứng viên cho các bộ nhớ cực kỳ tiết kiệm năng lượng, có thể hoạt động trong cái lạnh sâu nơi các máy tính lượng tử ngày nay vận hành. Nhưng di chuyển một xoáy đi vài nanomet tốn bao nhiêu năng lượng? Các thí nghiệm trước đây đã thấy những xoáy đơn lẻ tiêu tán năng lượng mà chưa bao giờ đưa ra được con số, và không có nhiệt kế nào đủ nhạy để bắt được lượng nhiệt nhỏ đến thế.

Cân một tiếng thì thầm mà không cần nhiệt kế

Nofar Fridman, Hadar Steinberg, Yonathan Anahory và các đồng nghiệp tại Đại học Hebrew Jerusalem, cùng các đối tác ở Hoa Kỳ, Thụy Sĩ và Đức, đã đi theo một con đường khác. Họ tạo hình một màng niobi dày 55 nanomet thành một dải rộng 10 micromet và làm lạnh nó xuống 4,2 kelvin. Một kính hiển vi quét mang một cảm biến siêu dẫn ở đầu mũi (một “SQUID-on-tip”, với một vòng có đường kính khoảng 250 nanomet) lơ lửng ở độ cao 300 nanomet phía trên, lập bản đồ từ trường cho đến khi tìm được một xoáy đơn lẻ, biệt lập.

Sau đó, một dòng điện dao động đẩy xoáy qua lại với những lực tính bằng femtonewton (một phần triệu của một phần tỷ newton), từ 4 đến hơn 100 — một dòng điện nửa miliampe cho khoảng 65. Kính hiển vi theo dõi chuyển động với độ nhạy khoảng 0,3 nanomet. Mấu chốt nằm ở thời điểm: phần chuyển động trễ sau lực đẩy đo công thực hiện lên xoáy trong mỗi chu kỳ, và do đó đo năng lượng mà nó tiêu tán. Không cần đọc nhiệt độ.

Hai hõm, một bit

Màng này tạo ra một địa hình gồm những hõm nơi xoáy bị mắc kẹt (bị “ghim”, pinning). Trong một hõm duy nhất, xoáy lãng phí quá ít năng lượng để có thể phát hiện. Những nơi thú vị là các giếng kép: hai chỗ nghỉ cạnh nhau, ngăn cách bởi một rào năng lượng nhỏ. Trái hay phải — đó là một bit. Nhóm tìm ra những chỗ như vậy bằng cách nghiêng nhẹ địa hình bằng một dòng điện ổn định, và xác nhận chúng bằng một tín hiệu đặc trưng: khi được để yên, xoáy nhảy qua lại ngẫu nhiên giữa hai vị trí.

Dưới một lực tới hạn, xoáy bị đẩy vẫn nằm trong hõm của nó và không có công nào hiện ra. Gần lực đó, nó bắt đầu thỉnh thoảng nhảy sang phía bên kia, và công tăng vọt. Ở mức lực cao hơn nhiều, xoáy vượt qua rào mỗi nửa chu kỳ và công chững lại. Tùy theo giếng kép, chi phí đó biến thiên rất rộng — xuống tới bốn lần giới hạn Landauer cho một chu kỳ qua lại đầy đủ.

Trong hai giếng kép có rào rất thấp, chỉ riêng nhiệt đã làm xoáy nhảy, khoảng 7.000 và 3.000 lần mỗi giây khi nó không bị đẩy. Tốc độ đo được từ sự nhảy qua lại đó khớp với tốc độ rút ra từ chuyển động được kích thích, và một mô hình máy tính về một xoáy nhảy qua một rào đã tái tạo được các phép đo.

Dưới giới hạn — và vì sao điều đó được phép

Ở tần số kích thích thấp, công đo được trên mỗi chu kỳ giảm xuống dưới giới hạn Landauer. Các tác giả giải thích vì sao không có định luật nào bị vi phạm. Giới hạn Landauer liên quan đến việc xóa một bit có giá trị chưa biết: một nửa số lần, nó đã ở sẵn trạng thái đích. Một chuyển động qua lại đều đặn thì khác: mỗi lần đẩy đều bắt đầu từ một vị trí xác định rõ.

Vì vậy họ mô phỏng một phép xóa thực sự: xoáy bắt đầu ngẫu nhiên ở một trong hai hõm, và địa hình được nghiêng một lần, trong một phần tư chu kỳ, lấy trung bình trên 1.000 lần chạy. Ở tần số cao, việc này chỉ tốn một phần tư chi phí của một chu kỳ qua lại đầy đủ: một chu kỳ có hai lần nhảy trong khi một phép xóa có một, và một nửa số lần phép xóa không cần nhảy chút nào. Ở tần số thấp, phép xóa thực sự vẫn ở trên giới hạn, đúng như Landauer yêu cầu. Chuyển động lắc đều đặn xuống dưới giới hạn vì độ hỗn loạn (entropy) tỏa ra dưới dạng nhiệt khi bit được thiết lập lại được xoáy lấy lại khi nhiệt xáo trộn nó một lần nữa — một sự cho-và-nhận mà các tác giả so sánh với cách một chất khí nguội đi khi giãn nở. Nhưng dù sao một xoáy tự nhảy thường xuyên đến thế cũng không thể giữ được một bit.

Kết quả cuối cùng cho một bit dùng được, theo mô phỏng của họ: khoảng năm lần giới hạn Landauer ở 150 kilohertz, tần số nhanh nhất mà thiết bị có thể kích thích — một tần số mà ở đó cùng giếng kép ấy tốn nhiều hơn cho mỗi chu kỳ so với ở tần số thấp.

Nó có thể nhanh đến mức nào?

Các nhà nghiên cứu ước tính rằng một xoáy mất khoảng 4 nano giây để chuyển hõm, đủ cho 250 triệu thao tác mỗi giây, với chi phí khoảng mười lần giới hạn Landauer. Những vật liệu khác và các vị trí ghim được thiết kế có thể còn nhanh hơn nữa. Họ hình dung các bit xoáy như bộ nhớ cổ điển nằm ngay cạnh các bộ xử lý lượng tử, và xa hơn nữa, như một công cụ cho các sơ đồ tính toán lượng tử dựa trên việc di chuyển các xoáy.

Còn một bước nữa: phép đo của họ dựa vào một dao động đều đặn, nên chưa thể trực tiếp đo chi phí của một phép xóa đơn lẻ, thực sự — con số đó vẫn dựa trên mô phỏng.