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

Im Zeitalter der künstlichen Intelligenz besteht die dringlichste Herausforderung für das Computing nicht nur darin, Maschinen schneller zu machen, sondern sie effizienter zu gestalten. Jede Berechnung erzeugt Wärme, und da Geräte immer kleiner werden, wird dieser Energieaufwand zu einem Engpass. Um dies zu lösen, wenden sich Wissenschaftler an einen Zweig der Physik namens Informationsthermodynamik. Dieses Feld untersucht die tiefe Verbindung zwischen Information und Energie und betrachtet Information nicht als ein abstraktes Konzept, sondern als eine physikalische Größe, die bewegt und transformiert werden kann, ähnlich wie Elektrizität oder Wasser. Eine zentrale Idee in diesem Bereich ist „Maxwellsche Dämon“, ein Gedankenexperiment aus dem 19. Jahrhundert, bei dem ein winziges, intelligentes Wesen Teilchen sortiert, um Ordnung zu schaffen, ohne Energie aufzuwenden, was scheinbar die Gesetze der Physik verletzt. Die moderne Wissenschaft hat klargestellt, dass dieser Dämon die Gesetze nicht bricht; vielmehr bezahlt er für sein Sortieren, indem er Information nutzt. Der Dämon misst ein System, gewinnt Wissen und nutzt dieses Wissen, um Arbeit zu verrichten. Dieser Prozess erzeugt einen Informationsfluss, der von einer Kraft angetrieben wird, die der Spannung in einem elektrischen Schaltkreis ähnelt. Jahrzehntelang haben Theoretiker vorhergesagt, dass dieser Informationsfluss einer einfachen Regel folgen sollte, ganz ähnlich wie das Ohmsche Gesetz, das besagt, dass der elektrische Strom proportional zur Spannung ist. Es war jedoch unglaublich schwierig, diesen Zusammenhang in einem echten Experiment nachzuweisen, da es erfordert, mikroskopische Veränderungen in komplexen Systemen mit extremer Präzision zu verfolgen.

Ein Team von Forschern hat diesen Zusammenhang nun unter Verwendung eines einzigartigen physikalischen Systems erfolgreich demonstriert: magnetische Skyrmionen. Dies sind winzige, wirbelnde magnetische Strukturen mit einem Durchmesser von etwa einem bis zwei Mikrometern, die in dünnen magnetischen Filmen entstehen. Im Gegensatz zu festen Teilchen beinhalten Skyrmionen keine Bewegung von Materie; stattdessen sind sie Muster der Magnetisierung, die sich bewegen und interagieren können. Bei Raumtemperatur zittern diese Skyrmionen aufgrund thermischer Energie unkontrolliert, ein Verhalten, das als Brownsche Molekularbewegung bekannt ist. Die Forscher erstellten eine Vorrichtung mit zwei parallelen Drähten, von denen jeder ein einzelnes Skyrmion hält. Ein Skyrmion fungt als der „Dämon“ und das andere als das „System“. Beide sind auf kleine rechteckige Bereiche beschränkt, in denen sie sich in einer von zwei Positionen befinden können: oben oder unten. Die Forscher beobachteten das System-Skyrmion mit einem Mikroskop und wandten einen Strom auf den Draht an, der das Dämon-Skyrmion hält. Dieser Strom diente als Feedback-Mechanismus: Wenn der Dämon sich an eine bestimmte Position bewegte, passten die Forscher den Strom an, um das System-Skyrmion in eine gewünschte Richtung zu bewegen. In diesem Feedback-Zyklus wird keine externe Kraft direkt auf das System-Skyrmion ausgeübt; stattdessen nutzt der Dämon Informationen über den Zustand des Systems, um dessen Bewegung zu steuern, und wandelt so effektiv Information in physische Bewegung um.

Das Experiment zeigte, dass sich der Informationsfluss bemerkenswert wie ein elektrischer Strom verhält. Als die Forscher die Stärke des Feedback-Signals erhöhten, nahm der Informationsfluss in direktem Verhältnis dazu zu. Diese lineare Beziehung bestätigte, dass der Informationstransport einem Gesetz analog zum Ohmschen Gesetz folgt, bei dem der „Informationsstrom“ von einer „Informationsaffinität“ getrieben wird – einer Kraft, die durch das Wissen des Dämons entsteht. Die Forscher maßen diesen Fluss, indem sie zählten, wie oft die Skyrmionen die Positionen im oder gegen den Uhrzeigersinn wechselten. Sie fanden heraus, dass das Feedback einen stetigen, einseitigen Informationsfluss um eine Schleife erzeugte, genau wie eine Batterie Strom durch einen Draht treibt. Darüber hinaus entdeckten sie, dass dieser Fluss nicht perfekt glatt verläuft; er stößt auf Widerstand und Streuung, ähnlich wie Elektronen in einem Draht gegen Atome prallen. Um das System korrekt zu beschreiben, musste das Team die Standardgesetze der Schaltungstheorie modifizieren. Sie fanden heraus, dass die Summe der Kräfte um die Schleife nicht Null ist, wie es in einem einfachen elektrischen Schaltkreis der Fall wäre, da das Feedback des Dämons eine nicht-konservative Kraft einführt, die nicht durch ein einfaches Potenzial beschrieben werden kann.

Die Studie quantifizierte auch die Energieeffizienz dieses Prozesses. Die Forscher ermittelten, dass die Wechselwirkung zwischen den beiden Skyrmionen eine natürliche Voreingenommenheit (Bias) im System erzeugt, die sie als Energiekosten von etwa 0,47 der thermischen Energie bei Raumtemperatur maßen. Dieser Wert stimmte mit ihren theoretischen Vorhersagen überein und bestätigte, dass der Informationsfluss durch das Zusammenspiel zwischen dem Feedback des Dämons und der natürlichen Abstoßung zwischen den Skyrmionen angetrieben wird. Durch die Analyse der Daten berechnete das Team einen Wert für die „Informationsleitfähigkeit“, der beschreibt, wie leicht Information durch das System fließt. Dieser Wert stimmte mit den theoretischen Berechnungen überein, die aus den Raten abgeleitet wurden, mit denen die Skyrmionen zwischen den Positionen springen. Die Ergebnisse zeigen, dass Informationsschaltkreise zwar unter Verwendung vertrauter elektrischer Prinzipien modelliert werden können, sie jedoch Anpassungen erfordern, um die einzigartige Art und Weise zu berücksichtigen, wie Informationsträger interagieren und streuen. Diese Arbeit liefert den ersten experimentellen Beweis dafür, dass Informationsströme einem linearen Antwortgesetz gehorchen, und schließt die Lücke zwischen abstrakter Theorie und physischer Realität. Sie legt nahe, dass zukünftige Computergeräte so konzipiert werden könnten, dass sie diese Prinzipien nutzen, was potenziell zu Computern führen könnte, die mit dem minimalen Energieaufwand arbeiten, der durch die Gesetze der Thermodynamik vorgegeben ist.