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

आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस के इस युग में, कंप्यूटिंग के लिए सबसे बड़ी चुनौती केवल मशीनों को तेज़ बनाना नहीं है, बल्कि उन्हें अधिक कुशल बनाना है। प्रत्येक गणना ऊष्मा (heat) उत्पन्न करती है, और जैसे-जैसे उपकरण छोटे होते जा रहे हैं, यह ऊर्जा लागत एक बाधा बनती जा रही है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक भौतिकी की एक शाखा की ओर देख रहे हैं जिसे 'सूचना ऊष्मागतिकी' (information thermodynamics) कहा जाता है। यह क्षेत्र सूचना और ऊर्जा के बीच गहरे संबंध की खोज करता है, जिसमें सूचना को एक अमूर्त अवधारणा के रूप la नहीं, बल्कि एक भौतिक मात्रा के रूप में देखा जाता है जिसे बिजली या पानी की तरह स्थानांतरित और रूपांतरित किया जा सकता है। इस क्षेत्र का एक केंद्रीय विचार "मैक्सवेल का डेमन" (Maxwell's demon) है, जो 19वीं सदी का एक विचार प्रयोग है जहाँ एक छोटा, बुद्धिमान जीव बिना ऊर्जा खर्च किए कणों को व्यवस्थित करके व्यवस्था (order) बनाता है, जो भौतिकी के नियमों को तोड़ता हुआ प्रतीत होता है। आधुनिक विज्ञान ने स्पष्ट किया है कि यह डेमन नियमों को नहीं तोड़ता है; बल्कि, वह अपनी छँटाई के लिए सूचना का उपयोग करके भुगतान करता है। डेमन एक प्रणाली को मापता है, ज्ञान प्राप्त करता है, और उस ज्ञान का उपयोग कार्य निकालने के लिए करता है। यह प्रक्रिया सूचना का एक प्रवाह उत्पन्न करती है, जो एक विद्युत परिपथ में वोल्टेज के समान एक बल द्वारा संचालित होती है। दशकों से, सिद्धांतकारों ने भविष्यवाणी की है कि सूचना का यह प्रवाह एक सरल नियम का पालन करना चाहिए, बिल्कुल ओम के नियम की तरह, जो कहता है कि विद्युत धारा वोल्टेज के समानुपाती होती है। हालाँकि, वास्तविक प्रयोग में इस संबंध को सिद्ध करना अविश्वसनीय रूप से कठिन रहा है क्योंकि इसके लिए अत्यधिक सटीकता के साथ जटिल प्रणालियों में सूक्ष्म परिवर्तनों को ट्रैक करने की आवश्यकता होती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक अद्वितीय भौतिक प्रणाली का उपयोग करके इस संबंध को सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया है: चुंबकीय स्कायर्मियॉन (magnetic skyrmions)। ये छोटे, घूमते हुए चुंबकीय संरचनाएं हैं, जिनका व्यास लगभग एक से दो माइक्रोमीटर होता है, जो पतली चुंबकीय फिल्मों में बनते हैं। ठोस कणों के विपरीत, स्कायर्मियॉन में पदार्थ की गति शामिल नहीं होती है; इसके बजाय, वे चुंबकत्व के पैटर्न हैं जो चल सकते हैं और परस्पर क्रिया कर सकते हैं। कमरे के तापमान पर, ये स्कायर्मियॉन तापीय ऊर्जा के कारण बेतरतीब ढंग से कंपन करते हैं, जिसे ब्राउनियन गति (Brownian motion) के रूप में जाना जाता है। शोधकर्ताओं ने दो समानांतर तारों वाला एक उपकरण बनाया, जिनमें से प्रत्येक में एक एकल स्कायर्मियॉन है। एक स्कायर्मियॉन "डेमन" के रूप में कार्य करता है, और दूसरा "सिस्टम" के रूप में। दोनों को छोटे आयताकार क्षेत्रों में सीमित किया गया है जहाँ वे दो स्थितियों में मौजूद हो सकते हैं: ऊपर या नीचे। शोधकर्ताओं ने सिस्टम स्कायर्मियॉन को देखने के लिए एक सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया और डेमन वाले तार पर एक करंट लगाया। इस करंट ने एक फीडबैक तंत्र के रूप में कार्य किया: जब डेमन एक विशिष्ट स्थिति में चला जाता, तो शोधकर्ता करंट को इस तरह समायोजित करते कि सिस्टम स्कायर्मियॉन को वांछित दिशा में बढ़ने के लिए प्रोत्साहित किया जा सके। इस फीडबैक चक्र में, सिस्टम स्कायर्मियॉन पर कोई बाहरी बल सीधे लागू नहीं किया जाता है; इसके बजाय, डेमन सिस्टम की स्थिति के बारे में जानकारी का उपयोग करके उसकी गति को निर्देशित करता है, प्रभावी रूप से सूचना को भौतिक गति में परिवर्तित करता है।

प्रयोग से पता चला कि सूचना का प्रवाह उल्लेखनीय रूप से विद्युत धारा की तरह व्यवहार करता है। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने फीडबैक सिग्नल की शक्ति बढ़ाई, सूचना का प्रवाह सीधे आनुपातिक रूप से बढ़ा। इस रैखिक संबंध ने पुष्टि की कि सूचना परिवहन एक नियम का पालन करता है जो ओम के नियम के समान है, जहाँ "सूचना धारा" एक "सूचना आकर्षण" (information affinity) द्वारा संचालित होती है, जो डेमन के ज्ञान से उत्पन्न एक बल है। शोधकर्ताओं ने इस प्रवाह को इस बात को गिनकर मापा कि स्कायर्मियॉन कितनी बार घड़ी की दिशा (clockwise) और घड़ी की विपरीत दिशा (counter-clockwise) में अपनी स्थिति बदलते हैं। उन्होंने पाया कि फीडबैक ने एक लूप के चारों ओर सूचना का एक निरंतर, एक-तरफा प्रवाह बनाया, ठीक वैसे ही जैसे एक बैटरी तार के चारों ओर करंट को संचालित करती है। इसके अलावा, उन्होंने पाया कि यह प्रवाह पूरी तरह से सुचारू नहीं है; इसे प्रतिरोध और प्रकीर्णन (scattering) का सामना करना पड़ता है, ठीक वैसे ही जैसे इलेक्ट्रॉन तार में परमाणुओं से टकराते हैं। सिस्टम का सटीक वर्णन करने के लिए, टीम को सर्किट सिद्धांत के मानक नियमों को संशोधित करना पड़ा। उन्होंने पाया कि लूप के चारों दम बल का योग शून्य नहीं है, जैसा कि एक साधारण विद्युत परिपथ में होता है, क्योंकि डेमन का फीडबैक एक गैर-संरक्षण बल (non-conservative force) पेश करता है जिसे एक सरल विभव (potential) द्वारा वर्णित नहीं किया जा सकता है।

अध्ययन ने इस प्रक्रिया की ऊर्जा दक्षता को भी मापा। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि दोनों स्कायर्मियॉन के बीच की परस्पर क्रिया सिस्टम में एक प्राकृतिक पूर्वाग्रह (bias) पैदा करती है, जिसे उन्होंने कमरे के तापमान पर तापीय ऊर्जा के लगभग 0.47 गुना ऊर्जा लागत के रूप में मापा। यह मान उनके सैद्धांतिक अनुमानों से मेल खाता था, जिससे पुष्टि हुई कि सूचना का प्रवाह डेमन के फीडबैक और स्कायर्मियॉन के बीच स्वाभाविक प्रतिकर्षण के बीच की परस्पर क्रिया द्वारा संचालित होता है। डेटा का विश्लेषण करके, टीम ने "सूचना चालकता" (information conductance) के एक मान की गणना की, जो यह बताता है कि सूचना सिस्टम के माध्यम से कितनी आसानी से प्रवाहित होती है। यह मान उन दरों से प्राप्त सैद्धांतिक गणनाओं के अनुरूप था जिस पर स्कायर्मियॉन अपनी स्थितियों के बीच कूदते हैं। परिणाम दर्शाते हैं कि जबकि सूचना सर्किटों को परिचित विद्युत सिद्धांतों का उपयोग करके मॉडल किया जा सकता है, उन्हें सूचना वाहकों के अनूठे इंटरैक्शन और प्रकीर्णन को ध्यान में रखते हुए समायोजन की आवश्यकता होती है। यह कार्य इस बात का पहला प्रयोगात्मक प्रमाण प्रदान करता है कि सूचना धाराएं एक रैखिक प्रतिक्रिया नियम (linear response law) का पालन करती हैं, जो अमूर्त सिद्धांत और भौतिक वास्तविकता के बीच के अंतर को पाटता है। यह सुझाव देता है कि भविष्य के कंप्यूटिंग उपकरणों को इन सिद्धांतों का लाभ उठाने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है, जिससे संभावित रूप से ऐसे कंप्यूटर विकसित हो सकते हैं जो ऊष्मागतिकी के नियमों द्वारा निर्धारित न्यूनतम ऊर्जा लागत के साथ संचालित होते हैं।