חוקרים מהאוניברסיטה העברית עקבו אחרי מערבולת בודדת במוליך־על והראו, באמצעות ניסוי וניתוח חישובי, שניתן להפעיל רכיב זיכרון בטמפרטורות נמוכות מאוד בעלות אנרגיה המתקרבת לגבול לנדאואר. עדיין מדובר בהוכחת היתכנות רחוקה ממחשבים רגילים
מהי כמות האנרגיה הקטנה ביותר הנדרשת כדי למחוק סיבית מידע? הפיזיקאי רולף לנדאואר הראה שבפעולת מחיקה בלתי־הפיכה קיים גבול תרמודינמי התלוי בטמפרטורה. בעידן שבו מרכזי נתונים צורכים כמויות גדולות של חשמל, גם גבול זעיר כזה נעשה שאלה מעשית למחקר.
חוקרים מהאוניברסיטה העברית בירושלים וממוסדות שותפים בחנו זיכרון ניסיוני המבוסס על מערבולת בודדת במוליך־על. במקום לייצג אפס ואחת באמצעות טרנזיסטור, הם השתמשו בשני מצבים יציבים של מערבולת מגנטית במבנה ננומטרי. מעבר בין שני המצבים עשוי לייצג שינוי של סיבית מידע.
העבודה התפרסמה ב־24 בספטמבר בכתב העת Nature Communications. בין מוביליה נופר פרידמן וד״ר יונתן אנהורי מהאוניברסיטה העברית. כדי להעריך את האנרגיה המעורבת בתנועת המערבולת, השתמשו החוקרים במדידות מגנטיות רגישות ובמודל המתאר את תנועתה תחת כוחות משתנים. הניתוח החישובי הצביע על אפשרות לבצע פעולת מחיקה באנרגיה הגבוהה פי חמישה בלבד מגבול לנדאואר. החישוב מתייחס לטמפרטורה של כ־4.2 קלווין, כלומר כ־269 מעלות צלזיוס מתחת לאפס.
כאן נדרשת הסתייגות חשובה. החוקרים לא ביצעו ישירות פרוטוקול מחיקה סטנדרטי קרוב לגבול התאורטי. מחברי המאמר מבהירים כי הניסוי התבסס על הפעלה מחזורית, שאינה זהה לפרוטוקול המחיקה של לנדאואר. הקרבה לגבול מחושבת על בסיס הניתוח הפיזיקלי והסימולציות. לכן נכון לתאר את התוצאה כהוכחת היתכנות מחקרית, ולא כזיכרון מסחרי שכבר הודגם בפעולת מחיקה חסכונית במיוחד.
הטמפרטורה הנמוכה מבהירה גם מדוע אין כאן פתרון ישיר לחיסכון בחשמל של מחשבים אישיים. קירור לטמפרטורות קריוגניות דורש בעצמו משאבים. לעומת זאת, מחשבים קוונטיים ומערכות מחקר מסוימות פועלים ממילא בסביבה קרה מאוד. לכן רכיבי זיכרון קלאסיים המשתלבים בסביבה כזו עשויים להיות שימושיים בעתיד.
לדברי החוקרים, נדרשת עבודה נוספת. יש להבין כיצד לבנות מערכי זיכרון רבים וכיצד לקרוא ולכתוב מידע באופן אמין. כמו כן יש להעריך את צריכת האנרגיה של המערכת כולה, ולא רק של הסיבית הניסיונית. בינתיים התרומה המרכזית היא חיבור בין מושג יסודי בתרמודינמיקה לבין רכיב פיזי שניתן למדוד במעבדה.
שאלות ותשובות
מהו גבול לנדאואר?
הגבול התרמודינמי המינימלי לאנרגיה הנדרשת למחיקת סיבית מידע באופן בלתי־הפיך בטמפרטורה נתונה.
האם הודגם מחשב שצורך רק פי חמישה מהגבול?
לא. המחקר עוסק ברכיב זיכרון ניסיוני ובניתוח חישובי של פעולת הסיבית, לא במחשב שלם.
לאילו מערכות הטכנולוגיה עשויה להתאים?
בעתיד, אולי למערכות זיכרון קריוגניות המשתלבות במחשוב קוונטי או בציוד הפועל ממילא בטמפרטורות נמוכות מאוד.