De fysieke grenzen van een berekening

Hoe komt het eigenlijk dat laptops en andere elektronische apparaten warm worden in onze schoot en de ingebouwde batterijen uiteindelijk leegraken? Hoeveel energie komt er vrij wanneer er informatie wordt gewist? 10^-15 keer de energie die nodig is om een zandkorrel tot één meter hoogte op te tillen. Dit energieminimum wordt berekend volgens het principe van Landauer.

Feit is dat de transistors in onze computers en telefoons miljoenen keer zoveel verbruiken. Dit komt doordat we er snel mee werken, sneller dan de interne dynamica van deze apparaten. De onderzoekers hebben nu een bit informatie gewist, opgeslagen met behulp van een kwantum-nanomagneet, en gemeten hoeveel energie daarbij verloren gaat. Dit leidde tot twee bevindingen.

Ten eerste ontdekten ze dat de thermodynamische limiet zonder uitzondering van toepassing is op een kwantumsysteem. "Deze uitbreiding naar het kwantumdomein is een belangrijke bevinding, aangezien de limiet tot nu toe alleen binnen betrekkelijk grote en zuiver klassieke systemen was getest", aldus onderzoeksleider en eerste auteur van de publicatie Rocco Gaudenzi.

Ten tweede beseften ze dat je de snelheid van de enkelvoudige berekening kon vergroten en daarbij de hoeveelheid vrijgekomen energie dicht bij de Landauer-limiet kon houden.

"De kunst is om de snelle dynamica van het systeem te benutten", aldus Rocco. "Het bit aan informatie is gecodeerd in de kwantumspin van één moleculaire nanomagneet, die een zeer snelle ontspanningstijd heeft vergeleken met welk klassiek systeem dan ook. Dit komt door de geringe inertie van de magneet."

Tunneling

Een andere belangrijke eigenschap van het systeem is de kwantumtunneling: "Wanneer transversaal een magnetisch veld wordt toegepast, kan de spin tunnelen tussen de toestanden ‘boven’ en ‘onder’. Daarbij doorbreekt de spin de barrière die de traditionele scheiding vormt." Dankzij deze twee ingrediënten werkt dit kwantumspinregister snel en daarbij ook efficiënt.

Nieuwe grootheid

In de publicatie introduceren de onderzoekers een nieuwe grootheid voor het bepalen van de feitelijke kosten van een berekening, naast snelheid of energie-efficiëntie, namelijk het product van die twee: de kosten van energietijd. Uitgaande van deze grootheid realiseert het systeem orden van grootte die elke huidige orde van grootte overtreffen.