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

In het tijdperk van kunstmatige intelligentie is de meest urgente uitdaging voor computing niet alleen het sneller maken van machines, maar het efficiënter maken ervan. Elke berekening genereert warmte, en naarmate apparaten kleiner worden, wordt deze energiekost een flessenhals. Om dit op te lossen, kijken wetenschappers naar een tak van de natuurkunde die informatie-thermodynamica wordt genoemd. Dit veld onderzoekt de diepe verbinding tussen informatie en energie, waarbij informatie niet als een abstract concept wordt behandeld, maar als een fysieke grootheid die kan worden verplaatst en getransformeerd, net als elektriciteit of water. Een centraal idee in dit veld is "Maxwells demon", een gedachte-experiment uit de 19e eeuw waarbij een klein, intelligent wezen deeltjes sorteert om orde te creëren zonder energie te verbruiken, wat schijnbaar de wetten van de fysica overtreedt. Moderne wetenschap heeft verduidelijkt dat deze demon de wetten niet breekt; in plaats daarvan betaalt de demon voor het sorteren door informatie te gebruiken. De demon meet een systeem, verkrijgt kennis en gebruikt die kennis om arbeid te verrichten. Dit proces creëert een informatiestroom, aangedreven door een kracht die vergelijkbaar is met spanning in een elektrische schakeling. Decennialang hebben theoretici voorspeld dat deze informatiestroom een eenvoudige regel zou volgen, vergelijkbaar met de wet van Ohm, die stelt dat elektrische stroom evenredig is aan de spanning. Het bewijzen van deze relatie in een echt experiment is echter ongelooflijk moeilijk geweest, omdat het vereist is om microscopische veranderingen in complexe systemen met extreme precisie te volgen.

Een team van onderzoekers heeft deze relatie nu succesvol gedemonstreerd met behulp van een uniek fysisch systeem: magnetische skyrmionen. Dit zijn minuscule, draaiende magnetische structuren, ongeveer één tot twee micrometer in diameter, die ontstaan in dunne magnetische films. In tegenstelling tot vaste deeltjes, brengen skyrmionen geen beweging van materie met zich mee; in plaats daarvan zijn het patronen van magnetisme die kunnen bewegen en interageren. Bij kamertemperatuur trillen deze skyrmionen willekeurig door thermische energie, een gedrag dat bekend staat als Brownse beweging. De onderzoekers creëerden een apparaat met twee parallelle draden, die elk een enkele skyrmion vasthouden. Eén skyrmion fungeert als de "demon" en de andere als het "systeem". Beiden zijn beperkt tot kleine rechthoekige gebieden waar ze in één van de twee posities kunnen bestaan: boven of onder. De onderzoekers gebruikten een microscoop om de systeem-skyrmion te observeren en pasten een stroom toe op de draad die de demon-skyrmion vasthoudt. Deze stroom fungeerde als een feedbackmechanisme: wanneer de demon naar een specifieke positie bewoog, pasten de onderzoekers de stroom aan om de systeem-skyrmion aan te moedigen in een gewenste richting te bewegen. In deze feedbackcyclus wordt geen externe kracht direct op de systeem-skyrmion uitgeoefend; in plaats daarvan gebruikt de demon informatie over de staat van het systeem om de beweging te sturen, waardoor informatie effectief wordt omgezet in fysieke beweging.

Het experiment onthulde dat de informatiestroom zich opmerkelijk gedraagt als een elektrische stroom. Naarmate de onderzoekers de sterkte van het feedbacksignaal verhoogden, nam de informatiestroom recht evenredig toe. Deze lineaire relatie bevestigde dat informatietransport een regel volgt die analoog is aan de wet van Ohm, waarbij de "informatiestroom" wordt aangedreven door een "informatie-affiniteit", een kracht gegenereerd door de kennis van de demon. De onderzoekers maten deze stroom door te tellen hoe vaak de skyrmionen van positie wisselden in een met de klok mee versus een tegen de klok in draaiende richting. Ze ontdekten dat de feedback een constante, eenrichtings informatiestroom rond een lus creëerde, net zoals een batterij stroom rond een draad drijft. Bovendien ontdekten ze dat deze stroom niet perfect vloeiend is; deze ondervindt weerstand en verstrooiing, vergelijkbaar met hoe elektronen tegen atomen botsen in een draad. Om het systeem nauwkeurig te beschrijven, moest het team de standaardwetten van de stroomtheorie aanpassen. Ze ontdekten dat de som van de krachten rond de lus niet nul is, zoals in een eenvoudige elektrische schakeling, omdat de feedback van de demon een niet-conservatieve kracht introduceert die niet met een eenvoudig potentiaal kan worden beschreven.

De studie kwantificeerde ook de energie-efficiëntie van dit proces. De onderzoekers bepaalden dat de interactie tussen de twee skyrmionen een natuurlijk evenwicht creëert, wat zij maten als een energiekost van ongeveer 0,47 keer de thermische energie bij kamertemperatuur. Deze waarde kwam overeen met hun theoretische voorspellingen, wat bevestigde dat de informatiestroom wordt aangedreven door het samenspel tussen de feedback van de demon en de natuurlijke afstoting tussen de skyrmionen. Door de gegevens te analyseren, berekende het team een waarde voor "informatiegeleidbaarheid", die beschrijft hoe gemakkelijk informatie door het systeem stroomt. Deze waarde kwam overeen met theoretische berekeningen afgeleid van de snelheden waarmee de skyrmionen tussen posities springen. De resultaten laten zien dat hoewel informatieschakelingen met bekende elektrische principes gemodelleerd kunnen worden, ze aanpassingen vereisen om rekening te houden met de unieke manier waarop informatie-dragers interageren en verstrooien. Dit werk levert het eerste experimentele bewijs dat informatiestromen een lineaire responswet volgen, waarmee de kloof tussen abstracte theorie en fysieke realiteit wordt overbrugd. Het suggereert dat toekomstige computingapparaten zo ontworpen kunnen worden dat ze deze principes benutten, wat potentieel kan leiden tot computers die werken met de minimale energiekost die door de wetten van de thermodynamica wordt voorgeschreven.