Information dynamics, natural computing and Maxwell's demon in two skyrmions system
यह अध्ययन सूचना ऊष्मागतिकी (information thermodynamics) का उपयोग करके कमरे के तापमान पर एक दो-स्काईर्मियन (two-skyrmion) प्रणाली के संभाव्य सूचना प्रवाह और प्राकृतिक कम्प्यूटेशनल क्षमताओं का प्रयोगात्मक मूल्यांकन करता है, जो गैर-रेखीय XOR संचालन करने की इसकी क्षमता को प्रदर्शित करता है और इन निष्कर्षों के आधार पर एक ऑल-सॉलिड-स्टेट मैक्सवेल के डेमन (Maxwell's demon) का प्रस्ताव करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ कंप्यूटर सिलिकॉन चिप्स की कठोर, घड़ी जैसी सटीकता पर निर्भर नहीं करते, बल्कि गणना करने के लिए स्वयं ऊष्मा (heat) की अराजक, अस्थिर गति का उपयोग करते हैं। यह सूचना ऊष्मागतिकी (information thermodynamics) का क्षेत्र है, जो यह पूछता है कि हम अत्यधिक ऊर्जा जलाए बिना डेटा को प्रोसेस करने के लिए कणों की यादृच्छिक हलचल का उपयोग कैसे कर सकते हैं। इस जांच के केंद्र में 19वीं सदी की एक अवधारणा है जिसे मैक्सवेल के डेमन (Maxwell's demon) के रूप में जाना जाता है। यह एक विचार प्रयोग था जिसमें एक सूक्ष्म, बुद्धिमान प्राणी का प्रस्ताव दिया गया था जो तेज़ गति वाले कणों को धीमी गति वाले कणों से अलग कर सकता था, जिससे प्रभावी रूप से अव्यवस्था से व्यवस्था का निर्माण होता और ऊष्मा के फैलने की प्राकृतिक प्रवृत्ति का उल्लंघन होता। हालाँकि ऐसा डेमन एक सरल, संतुलित प्रणाली में अस्तित्व में नहीं हो सकता, आधुनिक भौतिक विज्ञानी आश्चर्य करते हैं कि क्या हम एक ऐसी मशीन बना सकते हैं जो एक डेमन की तरह कार्य करे, जो सूचना को छाँटने और कार्य करने के लिए सामग्रियों के प्राकृतिक उतार-चढ़ाव का उपयोग करती हो। इस क्षमता को खोलने की कुंजी चुंबकीय स्कायर्मियन्स (magnetic skyrmions) में निहित हो सकती है, जो चुंबकीय पैटर्न के छोटे, घूमते हुए स्वरूप हैं जो ठोस कणों की तरह व्यवहार करते हैं लेकिन एक पतली चुंबकीय फिल्म के भीतर स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं। तार में इलेक्ट्रॉनों के विपरीत, जिन्हें कुछ उन्नत अवस्थाओं में कार्य करने के लिए अत्यधिक ठंड की आवश्यकता होती है, ये स्कायर्मियन्स कमरे के तापमान पर नाच सकते हैं, जो उसी ऊष्मा से संचालित होते हैं जो आमतौर पर अव्यवस्था का कारण बनती है।
ओसाका विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम और उनके सहयोगियों ने यह समझने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है कि इन चुंबकीय भंवरों का उपयोग इस तरह की अपरंपरागत कंप्यूटिंग के लिए कैसे किया जा सकता है। उन्होंने एक प्रणाली पर ध्यान केंद्रित किया जिसमें एक चुंबकीय फिल्म के भीतर एक छोटे, वर्गाकार जाल के भीतर केवल दो स्कायर्मियन्स सीमित थे। नमूने को एक विशिष्ट तापमान तक गर्म करके और एक सौम्य चुंबकीय क्षेत्र लागू करके, उन्होंने दो स्कायर्मियन्स को स्वतंत्र रूप से घूमने दिया, जो आपस में टकरा रहे थे और अपने कंटेनर की दीवारों से टकरा रहे थे, जो निरंतर तापीय गति की स्थिति में थे। एक उच्च गति वाले कैमरे का उपयोग करते हुए, टीम ने 10 सेकंड के लिए इन दो चुंबकीय कणों के पथ को रिकॉर्ड किया, जिसमें उनकी सटीक स्थिति को ट्रैक करने के लिए लाखों फ्रेम कैप्चर किए गए। लक्ष्य यह देखना था कि सूचना उनके बीच कैसे प्रवाहित होती है। एक मानक कंप्यूटर में, डेटा इनपुट से आउटपुट तक एक स्पष्ट, एकतरफा रेखा में चलता है। हालाँकि, इस प्रणाली में, शोधकर्ताओं को यह निर्धारित करने की आवश्यकता थी कि क्या एक स्कायर्मियन की गति दूसरे की भविष्य की स्थिति को प्रभावित कर सकती है, और क्या इस परस्पर क्रिया का उपयोग एक तार्किक संचालन (logical operation) करने के लिए किया जा सकता है।
विश्लेषण से पता चला कि दो स्कायर्मियन्स वास्तव में सूचना का आदान-प्रदान करते हैं, लेकिन केवल एक क्षण के लिए। जब शोधकर्ताओं ने मापा कि एक स्कायर्मियन की पिछली स्थिति ने दूसरे की भविष्य की स्थिति की भविष्यवाणी करने में कितनी मदद की, तो उन्हें एक स्पष्ट संकेत मिला जो प्रारंभिक परस्पर क्रिया के लगभग दस मिलीसेकंड बाद चरम पर पहुँचा। यह विलंब उस समय के अनुरूप है जो एक स्कायर्मियन को अपने स्वयं के आकार के बराबर दूरी तक विसरित (diffuse), या बहने में लगता है। डेटा ने दिखाया कि स्कायर्मियन्स अपनी परस्पर क्रिया की स्मृति लगभग बीस मिलीसेकंड तक बनाए रखते हैं, इससे पहले कि यादृच्छिक तापीय शोर इसे मिटा दे। महत्वपूर्ण रूप से, अध्ययन ने पुष्टि की कि इस प्राकृतिक, अनियंत्रित अवस्था में, प्रणाली पूरी तरह से संतुलित है। वहाँ कोई छिपी हुई बुद्धिमत्ता नहीं है जो कणों को छाँट रही है; सूचना का प्रवाह दोनों दिशाओं में समान है, जिसका अर्थ है कि व्यवस्था बनाने के लिए कोई "डेमन" काम नहीं कर रहा है। प्रणाली केवल तापीय संतुलन में है, जहाँ ऊष्मा की यादृच्छिक हलचल किसी भी उपयोगी कार्य या सूचना छँटाई के शुद्ध लाभ को रोकती है।
डेमन की अनुपस्थिति के बावजूद, शोधकर्ताओं ने इस सरल जोड़ी की कम्प्यूटेशनल शक्ति के बारे में कुछ आश्चर्यजनक खोजा। भले ही स्कायर्मियन्स केवल यादृच्छिक रूप से घूम रहे हैं, उनकी परस्पर क्रिया उन्हें एक विशिष्ट, जटिल तार्किक कार्य करने की अनुमति देती है जिसे XOR ऑपरेशन कहा जाता है। यह एक प्रकार की गणना है जहाँ आउटपुट तभी 'सत्य' होता है जब इनपुट भिन्न हों। टीम ने पाया कि दोनों स्कायर्मियन्स की वर्तमान स्थितियों के संयोजन के आधार पर, एक स्कायर्मियन की भविष्य की स्थिति की भविष्यवाणी एक छोटी लेकिन सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण सटीकता के साथ की जा सकती है। यह सुझाव देता है कि प्रणाली में एक छिपा हुआ, नॉन-मार्कोवियन (non-Markovian) स्वभाव है, जिसका अर्थ है कि इसका भविष्य केवल इसकी वर्तमान स्थिति पर निर्भर नहीं है; यह अपने अतीत के इतिहास की एक धुंधली गूँज को बनाए रखता है जो इसे सूचना को इस तरह से प्रोसेस करने की अनुमति देता है जैसे एक साधारण रैंडम वॉकर नहीं कर सकता। यह छिपी हुई स्मृति, जो संभवतः फिल्म की सतह पर सूक्ष्म खामियों में अस्थायी रूप से फंसने के कारण होती है, प्रणाली को प्राकृतिक गणना के लिए एक छोटी लेकिन वास्तविक क्षमता प्रदान करती है।
अध्ययन इस बात का प्रस्ताव देते हुए समाप्त होता है कि इस निष्क्रिय प्रणाली को एक सक्रिय, ऑल-सॉलिड-स्टेट मैक्सवेल के डेमन में कैसे बदला जाए। एक स्कायर्मियन की स्थिति का पता लगाने के लिए इलेक्ट्रॉनिक सेंसर जोड़ने और उस जानकारी का उपयोग करके एक वोल्टेज लगाने से, जो दूसरे स्क्यर्मियन को एक विशिष्ट क्षेत्र में प्रवेश करने से रोकता है, शोधकर्ताओं ने गणनाओं के माध्यम से दिखाया कि संतुलन को तोड़ा जा सकता है। इस नियंत्रित सेटअप में, दूसरा स्कायर्मियन प्रभावी रूप से डेमन के रूप में कार्य करेगा, जो पहले से प्राप्त जानकारी का उपयोग करके कणों को छाँटने और ऊष्मा से कार्य निकालने के लिए करेगा। यह सैद्धांतिक डिज़ाइन कमरे के तापमान पर संचालित होने वाले अति-कम-शक्ति वाले कंप्यूटिंग सर्किट बनाने की दिशा में एक मार्ग सुझाता है, जो चुंबकीय कणों की ब्राउनियन गति के विरुद्ध लड़ने के बजाय उनका उपयोग करते हैं। हालाँकि वर्तमान प्रयोग में अपेक्षाकृत बड़े स्कायर्मियन्स का उपयोग किया गया था जो सूक्ष्मदर्शी के नीचे दिखाई देते हैं, लेकिन ये सिद्धांत छोटे संस्करणों पर लागू होते हैं जो एक अरब गुना तेज़ी से काम कर सकते हैं, जो ऊर्जा-कुशल मशीनों की एक नई पीढ़ी के द्वार खोलते हैं जो दुनिया की ऊष्मा के साथ सोचती हैं।
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