Ohm's law for information revealed by a skyrmion Maxwell's demon

في عصر الذكاء الاصطناعي، لا يكمن التحدي الأكثر إلحاحاً للحوسبة في جعل الآلات أسرع فحسب، بل في جعلها أكثر كفاءة. فكل عملية حسابية تولد حرارة، ومع تقلص حجم الأجهزة، تصبح تكلفة الطاقة هذه عائقاً. ولحل هذه المعضلة، يتطلع العلماء إلى فرع من الفيزياء يسمى "ديناميكا المعلومات الحرارية". يستكشف هذا المجال العلاقة العميقة بين المعلومات والطاقة، حيث يعامل المعلومات ليس كمفهوم مجرد، بل ككمية فيزيائية يمكن نقلها وتحويلها، تماماً مثل الكهرباء أو الماء. وتعد "شيطان ماكسويل" فكرة مركزية في هذا المجال، وهي تجربة فكرية من القرن التاسع عشر حيث يقوم كائن صغير وذكي بفرز الجسيمات لخلق نظام دون استهلاك طاقة، مما يبدو وكأنه يكسر قوانين الفيزياء. وقد أوضح العلم الحديث أن هذا الشيطان لا يكسر القوانين؛ بل يدفع ثمن فرزه باستخدام المعلومات. يقوم الشيطان بقياس النظام، واكتساب المعرفة، واستخدام تلك المعرفة لاستخراج العمل. وتخلق هذه العملية تدفقاً للمعلومات، مدفوعاً بقوة تشبه الجهد الكهربائي في الدائرة الكهربائية. ولعقود من الزمن، توقع المنظرون أن هذا التدفق للمعلومات يجب أن يتبع قاعدة بسيطة، تماماً مثل قانون أوم، الذي ينص على أن التيار الكهربائي يتناسب طردياً مع الجهد. ومع ذلك، كان إثبات هذه العلاقة في تجربة حقيقية أمراً صعباً للغاية لأنه يتطلب تتبع التغيرات المجهرية في الأنظمة المعقدة بدقة متناهية.

لقد نجح فريق من الباحثين الآن في إثبات هذه العلاقة باستخدام نظام فيزيائي فريد: "السكيرميونات المغناطيسية" (magnetic skyrmions). وهي هياكل مغناطيسية دوامية صغيرة، يبلغ قطرها حوالي واحد إلى اثنين ميكرومتر، تتشكل في أغشية مغناطيسية رقيقة. وخلافاً للجسيمات الصلبة، لا تتضمن السكيرميونات حركة المادة؛ بل هي أنماط من المغناطيسية يمكنها التحرك والتفاعل. وعند درجة حرارة الغرفة، تهتز هذه السكيرميونات عشوائياً بسبب الطاقة الحرارية، وهو سلوك يُعرف باسم "الحركة البراونية". أنشأ الباحثون جهازاً يحتوي على سلكين متوازيين، يحمل كل منهما سكيرميون واحداً. يعمل أحد السكيرميونات كـ "شيطان"، والآخر يعمل كـ "نظام". وكلاهما محصور في مناطق مستطيلة صغيرة حيث يمكنهما التواجد في أحد موقعين: العلوي أو السفلي. راقب الباحثون سكيرميون النظام باستخدام مجهر، وطبقوا تياراً على السلك الذي يحمل السكيرميون الشيطان. عمل هذا التيار كآلية تغذية راجعة: عندما يتحرك الشيطان إلى موضع معين، يقوم الباحثون بتعديل التيار لتشجيع سكيرميون النظام على التحرك في اتجاه مرغوب. في دورة التغذية الراجعة هذه، لا يتم تطبيق قوة خارجية مباشرة على سكيرميون النظام؛ بدلاً من ذلك، يستخدم الشيطان المعلومات حول حالة النظام لتوجيه حركته، محولاً المعلومات فعلياً إلى حركة فيزيائية.

كشفت التجربة أن تدفق المعلومات يتصرف بشكل لافت مثل التيار الكهربائي. فبينما زاد الباحثون من قوة إشارة التغذية الراجعة، زاد تدفق المعلومات بشكل مباشر. وأكدت هذه العلاقة الخطية أن نقل المعلومات يتبع قاعدة مشابهة لقانون أوم، حيث يتم دفع "تيار المعلومات" بواسطة "ألفة المعلومات" (information affinity)، وهي قوة يولدها علم الشيطان. وقاس الباحثون هذا التدفق من خلال عد عدد المرات التي تغيرت فيها مواضع السكيرميونات في اتجاه عقارب الساعة مقابل اتجاه عكس عقارب الساعة. ووجدوا أن التغذية الراجعة خلقت تدفقاً مستمراً للمعلومات في اتجاه واحد حول حلقة، تماماً كما تدفع البطارية التيار حول سلك. علاوة على ذلك، اكتشفوا أن هذا التدفق ليس سلساً تماماً؛ إذ يواجه مقاومة وتشتتاً، تماماً كما تصطدم الإلكترونات بالذرات في السلك. ولتوصيف النظام بدقة، اضطر الفريق إلى تعديل القوانين القياسية لنظرية الدوائر. ووجدوا أن مجموع القوى حول الحلقة ليس صفراً، كما هو الحال في الدائرة الكهربائية البسيطة، لأن التغذية الراجعة للشيطان تقدم قوة غير محافظة لا يمكن وصفها بجهد بسيط.

كما قامت الدراسة بقياس كفاءة الطاقة لهذه العملية. حدد الباحثون أن التفاعل بين السكيرميونين يخلق انحيازاً طبيعياً، والذي قاسوه ككلفة طاقة تبلغ حوالي 0.47 من الطاقة الحرارية عند درجة حرارة الغرفة. وطابقتت هذه القيمة توقعاتهم النظرية، مما أكد أن تدفق المعلومات مدفوع بالتفاعل بين تغذية الشيطان الراجعة والتنافر الطبيعي بين السكيرميونات. ومن خلال تحليل البيانات، حسب الفريق قيمة "الموصلية المعلوماتية" (information conductance)، والتي تصف مدى سهولة تدفق المعلومات عبر النظام. واتفقت هذه القيمة مع الحسابات النظرية المستمدة من المعدلات التي تقفز بها السكيرميونات بين المواضع. وتظهر النتائج أنه بينما يمكن نمذجة دوائر المعلومات باستخدام مبادئ كهربائية مألوفة، فإنها تتطلب تعديلات لمراعاة الطريقة الفريدة التي تتفاعل بها حاملات المعلومات وتتشتت. يوفر هذا العمل أول إثبات تجريبي على أن تيارات المعلومات تخضع لقانون الاستجابة الخطية، مما يسد الفجوة بين النظرية المجردة والواقع الفيزيائي. ويشير هذا إلى أن أجهزة الحوسبة المستقبلية يمكن تصميمها لاستغلال هذه المبادئ، مما قد يؤدي إلى حواسيب تعمل بأقل تكلفة طاقة تمليها قوانين الديناميكا الحرارية.