De fysieke grenzen van een berekening opzoeken
In samenwerking met de universiteit van Zaragoza zijn onderzoekers van de TU Delft er in geslaagd een bit informatie te wissen en op te slaan met behulp van een quantum-nanomagneet, en te meten hoeveel energie daarbij verloren gaat.
Hoe komt het eigenlijk dat laptops en andere elektronische apparaten warm worden in onze schoot en de ingebouwde batterijen uiteindelijk leegraken? Je zou immers kunnen denken dat die apparaten alleen een beetje schuiven en goochelen met stukjes informatie, en informatie is iets virtueels, toch? Dat is natuurlijk zo, maar: wanneer informatie wordt gewist, komt daarbij onvermijdelijk ook een beetje energie vrij in de vorm van warmte.
Om hoeveel energie gaat het precies? Een miljoenste van een miljardste (10-15) keer de energie die nodig is om een zandkorrel tot één meter hoogte op te tillen. Dat is inderdaad heel weinig, maar niet helemaal niks. Dit energieminimum wordt berekend volgens de tweede hoofdwet van de thermodynamica, of eigenlijk een afgeleide daarvan: het principe van Landauer. Feit is dat de transistors in onze computers en telefoons miljoenen keer zoveel verbruiken. Dit komt doordat we er snel mee werken, sneller dan de interne dynamica van deze apparaten. En in de thermodynamica zijn snelheid en energie-efficiëntie elkaar tegenwerkende grootheden.
In samenwerking met de universiteit van Zaragoza zijn onderzoekers van de TU Delft er in geslaagd een bit informatie te wissen en op te slaan met behulp van een quantum-nanomagneet, en te meten hoeveel energie daarbij verloren gaat. Dit leidde tot twee belangrijke bevindingen. Ten eerste ontdekten ze dat de thermodynamische limiet zonder uitzondering van toepassing is op een quantumsysteem. “Deze uitbreiding naar het quantumdomein is een belangrijke bevinding, aangezien de limiet tot nu toe alleen binnen betrekkelijk grote en zuiver klassieke systemen was getest”, aldus onderzoeksleider en eerste auteur van de publicatie Rocco Gaudenzi. De tweede belangrijke bevinding is dat ze beseften dat je de snelheid van de enkelvoudige berekening kon vergroten en daarbij de hoeveelheid vrijgekomen energie dicht bij de Landauer-limiet kon houden.
“De kunst is om de snelle dynamica van het systeem te benutten”, aldus Rocco. “Het bit aan informatie is gecodeerd in de quantumspin van één moleculaire nanomagneet, die een zeer snelle ontspanningstijd heeft vergeleken met welk klassiek systeem dan ook. Dit komt door de ‘geringe inertie’ van deze nanomagneet.” Een andere belangrijke eigenschap van het systeem is de quantumtunneling: “Wanneer transversaal een magnetisch veld wordt toegepast, kan de spin tunnelen tussen de toestanden ‘boven’ en ‘onder’. Daarbij doorbreekt de spin de barrière die de traditionele scheiding vormt.” Dankzij deze twee ingrediënten werkt dit quantumspinregister snel en daarbij ook efficiënt. In de publicatie introduceren de onderzoekers een nieuwe grootheid voor het bepalen van de feitelijke kosten van een berekening, naast snelheid of energie-efficiëntie, namelijk het product van die twee: de kosten van energietijd. Uitgaande van deze grootheid realiseert het systeem orden van grootte die elke huidige orde van grootte overtreffen.
“Tijdens mijn eerste jaar als promovendus in Delft werkte ik met moleculaire nanomagneten. Ik deed onderzoek naar de magnetische eigenschappen in moleculaire overgangen. Later zat ik te praten met een collega, toen ik ineens besefte dat zulke magneten ideaal zouden zijn voor het testen van de Landauer-limiet, om zo de snelheid van klassieke berekeningen te verhogen.”
De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Physics.
