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

人工知能の時代において、コンピューティングにおける最も差し迫った課題は、単に機械を高速化することではなく、それらをより効率的にすることである。あらゆる計算は熱を発生させ、デバイスが小型化するにつれて、このエネルギーコストはボトルネックとなる。これを解決するために、科学者たちは「情報熱力学」と呼ばれる物理学の一分野に注目している。この分野は、情報を抽象的な概念としてではなく、電気や水と同じように移動させ、変換できる物理量として扱い、情報とエネルギーの間の深い結びつきを探求している。この分野の中心的な概念は、19世紀の思考実験である「マクスウェルの悪魔」である。これは、小さな知的な存在が、エネルギーを消費することなく粒子を分類し、秩序を作り出すというものであり、一見すると物理法則を破っているように見える。現代科学は、この悪魔が法則を破っているのではなく、むしろ情報の使用によってその分類の代償を支払っていることを明らかにしている。悪魔はシステムを測定し、知識を得て、その知識を用いて仕事を取り出すのである。このプロセスは、電気回路の電圧に似た力によって駆動される、情報の流れを生み出す。数十年にわたり、理論家たちは、この情報の流れが、電流は電圧に比例するというオームの法則と同様の単純な規則に従うはずだと予測してきた。しかし、複雑なシステムにおける微視的な変化を極めて精密に追跡する必要があるため、この関係を実際の実験で証明することは非常に困難であった。

研究チームは、独自の物理システムである「磁性スカイミオン」を用いて、この関係を実証することに成功した。スカイミオンとは、薄い磁性膜の中に形成される、直径約1〜2マイクロメートルの小さな渦巻状の磁気構造のことである。固体の粒子とは異なり、スカイミオンは物質の移動を伴わず、代わりに移動や相互作用が可能な磁気のパターンである。室温において、これらのスカイミオンは熱エネルギーによってランダムに揺らぎ、これはブラウン運動として知られる挙動である。研究者たちは、それぞれに単一のスカイミオンを保持する2本の平行なワイヤを持つデバイスを作成した。一方のスカイミオンは「悪魔」として、もう一方は「システム」として機能する。両者は、上または下のいずれかの位置に存在できる小さな長方形の領域に閉じ込められている。研究者たちは顕微鏡を使ってシステム側のスカイミオンを観察し、悪魔側のワイヤに電流を流した。この電流はフィードバック機構として機能した。すなわち、悪魔が特定のポジションに移動したとき、研究者はシステム側のスカイミオンを望ましい方向に動かすように電流を調整した。このフィードバックサイクルにおいて、システム側のスカイミオンに対して直接的な外力は加えられない。代わりに、悪魔はシステムの状態に関する情報を用いてその動きを導き、事実上、情報を物理的な動きへと変換するのである。

実験の結果、情報の流れは驚くほど電気の流れと同様に振る舞うことが明らかになった。研究者がフィードバック信号の強度を高めるにつれて、情報の流れもそれに正比例して増加した。この線形関係は、情報の輸送が「情報のアフィニティ（親和力）」、すなわち悪魔の知識によって生成される力によって駆動される「情報の電流」に従うという、オームの法則に類似した規則に従うことを裏付けた。研究者たちは、スカイミオンが時計回り、あるいは反時計回りに位置を切り替える頻度をカウントすることで、この流れを測定した。彼らは、電池がワイヤに沿って電流を駆動するのと同様に、フィードバックによって安定した一方向の情報流が形成されることを見出した。さらに、この流れは完全に滑らかではなく、電子がワイヤ内の原子に衝突するのと同様に、抵抗や散乱に遭遇することも発見した。システムを正確に記述するために、チームは標準的な回路理論の法則を修正する必要があった。彼らは、単純な電気回路であればループ周囲の力の総和はゼロになるが、悪魔のフィードバックが単純なポテンシャルでは記述できない非保存力を導入するため、ループ周囲の力の総和はゼロにならないことを突き止めた。

また、本研究は、このプロセスのエネルギー効率を定量化した。研究者たちは、2つのスカイミオンの間の相互作用がシステムに自然なバイアスを生み出すことを突き止め、それを室温における熱エネルギーの約0.47倍のエネルギーコストとして測定した。この値は彼らの理論的予測と一致しており、情報流が、悪魔のフィードバックとスカイミオン間の自然な斥力の相互作用によって駆動されていることを裏付けている。データを分析することで、チームは情報がシステム内をどの程度容易に流れるかを示す「情報コンダクタンス」の値を算出した。この値は、スカイミオンが位置間をジャンプする速度から導出された理論計算と一致した。これらの結果は、情報回路を馴染みのある電気的原理を用いてモデル化できる一方で、情報の担い手がどのように相互作用し散乱するかを考慮するために調整が必要であることを示している。本研究は、情報電流が線形応答則に従うことを示す最初の実験的証明であり、抽象的な理論と物理的な現実との間の溝を埋めるものである。これは、将来のコンピューティングデバイスがこれらの原理を活用するように設計され、熱力学の法則によって規定される最小限のエネルギーコストで動作するコンピュータにつながる可能性を示唆している。