Information dynamics, natural computing and Maxwell's demon in two skyrmions system
تقيم هذه الدراسة تجريبياً تدفق المعلومات الاحتمالي والقدرات الحسابية الطبيعية لنظام مكون من سكايرميون مزدوج عند درجة حرارة الغرفة باستخدام الديناميكا الحرارية للمعلومات، مما يثبت قدرته على إجراء عمليات XOR غير الخطية ويقترح شيطان ماكسويل القائم بالكامل على الحالة الصلبة بناءً على هذه النتائج.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل عالماً لا تعتمد فيه الحواسيب على الدقة الصارمة لرقائق السيليكون التي تعمل بنظام الساعة، بل تسخر بدلاً من ذلك الحركة الفوضوية والمضطربة للحرارة نفسها لأداء الحسابات. هذا هو مجال الديناميكا الحرارية للمعلومات، وهو مجال يتساءل كيف يمكننا استخدام التذبذب العشوائي للجزيئات لمعالجة البيانات دون حرق طاقة مفرطة. وفي قلب هذا الاستقصاء يكمن مفهوم من القرن التاسع عشر يُعرف باسم "شيطان ماكسويل". كانت هذه تجربة فكرية تقترح وجود كائن ذكي ضئيل يمكنه فرز الجزيئات سريعة الحركة عن الجزيئات بطيئة الحركة، مما يخلق نظاماً من الفوضى بشكل فعال وينتهك الميل الطبيعي للحرارة للانتشار. وبينما لا يمكن لهذا الشيطان أن يوجد في نظام متوازن وبسيط، يتساءل الفيزيائيون المعاصرون عما إذا كان بإمكاننا بناء آلة تعمل مثله، باستخدام التقلبات الطبيعية للمواد لفرز المعلومات وأداء العمل. وقد يكمن المفتاح لفتح هذه الإمكانات في "السكيرميونات المغناطيسية" (magnetic skyrmions)، وهي أنماط مغناطيسية دوارة ضئيلة تتصرف مثل الجسيمات الصلبة ولكن يمكنها التحرك بحرية داخل غشاء مغناطيسي رقيق. وخلافاً للإلكترونات في السلك التي تتطلب برودة شديدة لتعمل في حالات متقدمة معينة، يمكن لهذه السكيرميونات أن ترقص حول درجة حرارة الغرفة، مدفوعة بالحرارة نفسها التي تسبب الاضطراب عادةً.
لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة أوساكا ومعاونيهم خطوة كبيرة نحو فهم كيفية استخدام هذه الدوامات المغناطيسية في مثل هذه الحوسبة غير التقليدية. فقد ركزوا على نظام يحتوي على اثنين فقط من السكيرميونات المحصورة داخل مصيدة صغيرة مربعة الشكل على غشاء مغنتيسي. ومن خلال تسخين العينة إلى درجة حرارة محددة وتطبيق مجال مغناطيسي لطيف، سمحوا للسكيرميونين بالتحرك بحرية، والاصطدام ببعضهما البعض وبالجدران في حالة من الحركة الحرارية المستمرة. وباستخدام كاميرا عالية السرعة، سجل الفريق مسارات هذين الجسيمين المغناطيسيين لمدة 10 ثوانٍ، ملتقطين مئات الآلاف من الإطارات لتتبع مواقعهما بدقة. وكان الهدف هو معرفة كيف تتدفق المعلومات بينهما. في الحاسوب القياسي، تتحرك البيانات في خط واضح باتجاه واحد من المدخلات إلى المخرجات. أما في هذا النظام، فقد احتاج الباحثون إلى تحديد ما إذا كان تحرك أحد السكيرميونات يمكن أن يؤثر على الموقع المستقبلي للآخر، وما إذا كان يمكن تسخير هذا التفاعل لأداء عملية منطقية.
كشف التحليل أن السكيرميونين يتبادلان المعلومات بالفعل، ولكن لفترة وجيزة فقط. فعندما قاس الباحثون مدى مساعدة الموقع السابق لأحد السكيرميونات في التنبؤ بالموقع المستقبلي للآخر، وجدوا إشارة واضحة بلغت ذروتها بعد حوالي عشرة مللي ثانية من التفاعل الأولي. ويتوافق هذا التأخير مع الوقت الذي يستغرقه السكيرميون للانتشار، أو الانجراف، عبر مسافة تعادل تقريباً حجمه. وأظهرت البيانات أن السكيرميونات تحتفظ بذاكرة تفاعلها لمدة عشرين مللي ثانية تقريباً قبل أن يمحوها الضجيج الحراري العشوائي. ومن الأهمية بمكان أن الدراسة أكدت أنه في هذه الحالة الطبيعية غير المنضبطة، يكون النظام متوازناً تماماً؛ فلا توجد ذكاء خفي يفرز الجسيمات، فتدفق المعلومات متساوٍ في كلا الاتجاهين، مما يعني عدم وجود "شيطان" يعمل على خلق النظام. فالنظام ببساطة في حالة توازن حراري، حيث تمنع التذبذبات العشووية للحرارة أي مكسب صافٍ من العمل المفيد أو فرز المعلومات.
وعلى الرغم من غياب الشيطان الطبيعي، اكتشف الباحثون شيئاً مفاجئاً حول القدرة الحسابية لهذا الزوج البسيط. فبالرغم من أن السكيرميونات تتحرك عشوائياً فحسب، إلا أن تفاعلها يسمح لها بأداء مهمة منطقية محددة ومعقدة تُعرف بعملية "XOR". وهذا نوع من الحسابات حيث تكون النتيجة "صحيحة" فقط إذا كانت المدخلات مختلفة. ووجد الفريق أن الموقع المستقبلي لأحد السكيرميونات يمكن التنبؤ به، بدقة صغيرة ولكن ذات دلالة إحصائية، بناءً على المواقع الحالية لكلا السكيرميونين معاً. وهذا يشير إلى أن النظام يمتلك طبيعة "غير ماركوفية" (non-Markovian) خفية، مما يعني أن سلوكه المستقبلي يعتمد على أكثر من مجرد حالته الحالية؛ فهو يحتفظ بصدى باهت لماضيه يسمح له بمعالجة المعلومات بطريقة لا يستطيع بها "السائر العشوائي" البسيط القيام بها. هذه الذاكرة الخفية، التي يرجح أن سببها هو علوق السكيرميونات مؤقتاً في عيوب مجهرية على سطح الغشاء، تمنح النظام قدرة صغيرة ولكن حقيقية على الحوسبة الطبيعية.
تخلص الدراسة إلى اقتراح كيفية تحويل هذا النظام السلبي إلى "شيطان ماكسويل" نشط وكامل الحالة الصلبة. فمن خلال إضافة مستشعرات إلكترونية للكشف عن موقع أحد السكيرميونات واستخدام هذه المعلومات لتطبيق جهد كهربائي يمنع السكيرميون الآخر من دخول منطقة معينة، أظهر الباحثون من خلال الحسابات أنه يمكن كسر هذا التوازن. في هذا الإعداد المحكوم، سيعمل السكيرميون الثاني فعلياً كـ "شيطان"، مستخدماً المعلومات المكتسبة من الأول لفرز الجسيمات واستخراج العمل من الحرارة. ويشير هذا التصميم النظري إلى مسار نحو بناء دوائر حوسبة فائقة انخفاض استهلاك الطاقة تعمل في درجة حرارة الغرفة، مستغلة الحركة البراونية الطبيعية للجسيمات المغناطيسية بدلاً من محاربتها. وبينما استخدمت التجربة الحالية سكيرميونات كبيرة نسبياً يمكن رؤيتها تحت المجهر، فإن المبادئ تنطبق على نسخ أصغر بكثير يمكن أن تعمل بسرعات تزيد بمليار مرة، مما يفتح الباب أمام جيل جديد من الآلات الموفرة للطاقة والتي "تفكر" باستخدام حرارة العالم من حولها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.