Information dynamics, natural computing and Maxwell's demon in two skyrmions system

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Computer nicht auf der starren, uhrwerkartigen Präzision von Siliziumchips beruhen, sondern stattdessen die chaotische, unruhige Bewegung der Hitze selbst nutzen, um Berechnungen durchzuführen. Dies ist das Reich der Informationsthermodynamik, ein Feld, das fragt, wie wir das zufällige Zittern von Teilchen nutzen können, um Daten zu verarbeiten, ohne übermäßige Energie zu verbrennen. Im Zentrum dieser Untersuchung steht ein Konzept aus dem 19. Jahrhundert, bekannt als Maxwells Dämon. Dies war ein Gedankenexperiment, das ein winziges, intelligentes Wesen vorschlug, das in der Lage wäre, schnell bewegende Teilchen von langsamen Teilchen zu trennen, und so effektiv Ordnung aus dem Chaos schafft und die natürliche Tendenz der Wärme, sich zu verteilen, verletzt. Während ein solcher Dämon in einem einfachen, ausgewogenen System nicht existieren kann, fragen sich moderne Physiker, ob wir eine Maschine bauen können, die wie einer handelt, indem sie die natürlichen Fluktuationen von Materialien nutzt, um Informationen zu sortieren und Arbeit zu verrichten. Der Schlüssel zur Erschließung dieses Potenzials könnte in magnetischen Skyrmionen liegen, winzigen, wirbelnden Mustern der Magnetisierung, die sich wie feste Teilchen verhalten, aber frei innerhalb eines dünnen Magnetfilms bewegen können. Im Gegensatz zu Elektronen in einem Draht, die extreme Kälte benötigen, um in bestimmten fortgeschrittenen Zuständen zu funktionieren, können diese Skyrmionen bei Raumtemperatur tanzen, angetrieben durch genau die Hitze, die normalerweise für Unordnung sorgt.

Ein Team von Forschern der Universität Osaka und ihren Kooperationspartnern hat einen bedeutenden Schritt zum Verständnis dessen unternommen, wie diese magnetischen Wirbel für ein solches unkonventionelles Computing genutzt werden könnten. Sie konzentrierten sich auf ein System, das lediglich zwei Skyrmionen enthält, die in einer winzigen, quadratförmigen Falle auf einem Magnetfilm eingeschlossen sind. Durch das Erhitzen der Probe auf eine spezifische Temperatur und das Anlegen eines sanften Magnetfeldes ließen sie die zwei Skyrmionen frei bewegen, wobei sie gegen einander und gegen die Wände ihres Behälters in einem Zustand ständiger thermischer Bewegung stießen. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zeichnete das Team die Pfade dieser zwei magnetischen Teilchen über 10 Sekunden auf und erfasste dabei Hunderttausende von Einzelbildern, um ihre exakten Positionen zu verfolgen. Das Ziel war es zu sehen, wie Information zwischen ihnen fließt. In einem Standardcomputer bewegen sich Daten in einer klaren, einseitigen Linie von der Eingabe zur Ausgabe. In diesem System hingegen mussten die Forscher ermitteln, ob die Bewegung eines Skyrmions die zukünftige Position des anderen beeinflussen konnte und ob diese Wechselwirkung genutzt werden konnte, um eine logische Operation auszuführen.

Die Analyse ergab, dass die zwei Skyrmionen in der Tat Informationen austauschen, jedoch nur für einen flüchtigen Moment. Als die Forscher maßen, wie sehr die vergangene Position eines Skyrmions half, die zukünftige Position des anderen vorherzusagen, fanden sie ein klares Signal, das etwa zehn Millisekunden nach der initialen Interaktion seinen Höhepunkt erreichte. Diese Verzögerung entspricht der Zeit, die ein Skyrmion benötigt, um zu diffundieren oder zu driften, über eine Distanz, die etwa seiner eigenen Größe entspricht. Die Daten zeigten, dass die Skyrmionen eine Erinnerung an ihre Interaktion für etwa zwanzig Millisekunden behalten, bevor das zufällige thermische Rauschen sie wegwäscht. Entscheidend war, dass die Studie bestätigte, dass das System in diesem natürlichen, unkontrollierten Zustand perfekt im Gleichgewicht ist. Es gibt keine verborgene Intelligenz, die die Teilchen sortiert; der Informationsfluss ist in beide Richtungen gleich, was bedeutet, dass kein „Dämon“ am Werk ist, um Ordnung zu schaffen. Das System befindet sich einfach im thermischen Gleichgewicht, in dem das zufällige Zittern der Hitze einen Nettozuwachs an nützlicher Arbeit oder Informationssortierung verhindert.

Trotz der Abwesenheit eines natürlichen Dämons entdeckten die Forscher etwas Überraschendes über die Rechenleistung dieses einfachen Paares. Obwohl die Skyrmionen sich nur zufällig bewegen, ermöglicht ihre Wechselwirkung ihnen, eine spezifische, komplexe logische Aufgabe auszuführen, die als XOR-Operation bekannt ist. Dies ist eine Art von Berechnung, bei der die Ausgabe nur dann wahr ist, wenn die Eingaben unterschiedlich sind. Das Team fand heraus, dass die zukünftige Position eines Skyrmions mit einer kleinen, aber statistisch signifikanten Genauigkeit basierend auf den aktuellen Positionen beider Skyrmionen kombiniert vorhergesagt werden konnte. Dies deutet darauf das System besitzt eine verborgene, nicht-markovsche Natur, was bedeutet, dass sein zukünftiges Verhalten mehr als nur seinen aktuellen Zustand umfasst; es bewahrt ein schwaches Echo seiner vergangenen Geschichte, das es ihm ermöglicht, Informationen auf eine Weise zu verarbeiten, die ein einfacher Random Walker nicht könnte. Dieses verborgene Gedächtnis, das wahrscheinlich dadurch verursacht wird, dass die Skyrmionen vorübergehend in mikroskopischen Imperfektionen auf der Oberfläche des Films stecken bleiben, verleiht dem System eine winzige, aber reale Kapazität für natürliche Berechnung.

Die Studie schließt mit dem Vorschlag ab, wie man dieses passive System in einen aktiven, All-Solid-State-Maxwell-Dämon verwandeln kann. Durch das Hinzufügen elektronischer Sensoren, um die Position eines Skyrmions zu detektieren, und die Verwendung dieser Information, um eine Spannung anzuwenden, die das andere Skyrmion daran hindert, einen bestimmten Bereich zu betreten, zeigten die Forscher durch Berechnungen, dass das Gleichgewicht gebrochen werden konnte. In diesem kontrollierten Aufbau würde das zweite Skyrmion effektiv als der Dämon fungieren, indem es die aus dem ersten gewonnenen Information nutzt, um die Teilchen zu sortieren und Arbeit aus der Hitze zu extrahieren. Dieser theoretische Entwurf deutet einen Weg zum Bau von extrem stromsparenden Computer Schaltkreisen auf, die bei Raumtemperatur arbeiten und die natürliche Brownsche Bewegung magnetischer Teilchen nutzen, anstatt gegen sie anzukämpfen. Während das aktuelle Experiment relativ große Skyrmionen verwendete, die unter einem Mikroskop sichtbar sind, gelten die Prinzipien auch für wesentlich kleinere Versionen, die milliardenfach schneller operieren könnten, was die Tür zu einer neuen Generation energieeffizienter Maschinen öffnet, die mit der Hitze der Welt um sie herum denken.