Vortex Superkonduktor Dekat Limit Landauer, Memori Komputer Hemat Energi

Telset.id – Fisikawan di Hebrew University of Jerusalem memperkirakan satu vortex superkonduktor dapat berfungsi sebagai bit memori pada sekitar lima kali batas Landauer, sebuah ambang termodinamika yang selama ini sulit didekati oleh chip mana pun. Temuan ini dipublikasikan di Nature Communications pada 24 September dan dipopulerkan melalui rilis universitas pada 11 Oktober, namun angka lima kali tersebut adalah estimasi berbasis simulasi, bukan hasil pengukuran penghapusan (erasure) yang sesungguhnya.

Setiap kali komputer menghapus satu bit, ada “biaya” energi yang tidak bisa dihindari. Fisikawan IBM, Rolf Landauer, pada 1961 menetapkan batas minimumnya: kT ln 2, angka yang berskala dengan temperatur dan setara sekitar 2,9 zeptojoule pada suhu ruangan. Tidak ada chip nyata yang mendekati angka itu, sehingga celah tersebut menjadi target favorit seiring tagihan listrik komputasi yang terus naik.

Tim yang dipimpin Yonathan Anahory menggunakan film niobium setebal 55 nanometer yang dipola menjadi strip selebar 10 mikrometer dan didinginkan hingga 4,2 kelvin. Arus searah yang dialirkan melalui strip mendorong vortex individual ke titik-titik di mana ketidakteraturan alami film menyediakan dua tempat peristirahatan bersebelahan yang hanya berjarak beberapa nanometer. Posisi inilah yang menjadi penyimpan nilai: kiri atau kanan berarti nol atau satu.

Vortex kemudian “digoyang” dengan arus bolak-balik dan dilacak menggunakan mikroskop SQUID-on-tip, sensor magnetik yang dibangun pada probe kaca meruncing. Bagian gerakan yang tertinggal dari dorongan mengungkapkan berapa banyak energi yang hilang setiap siklus. Anahory menyebut hasilnya menempatkan bit pada sekitar lima kali batas Landauer, “bringing it remarkably close to the minimum permitted by physics.”

Namun ada beberapa catatan penting. Perangkat ini hanya bekerja pada temperatur helium cair, dan salah satu dari tiga peer reviewer makalah tersebut menolak versi finalnya. Abstrak makalah juga mengakui bahwa “our experimental method requires a steady sinusoidal drive incompatible with Landauer’s erasure protocol” dan mengaitkan angka mendekati limit itu dengan analisis numerik. Laboratorium mengukur disipasi saat vortex digoyang bolak-balik secara kontinu; biaya erasure sebenarnya, yang memaksa bit bernilai tidak diketahui menjadi keadaan yang diketahui, diestimasi lewat simulasi yang berakar pada data tersebut.

Angka lima kali itu adalah estimasi para penulis untuk bit yang bekerja pada 150 kHz, sebagaimana dijelaskan dalam balasan mereka kepada para reviewer. Rilis universitas hanya mencakup energi yang diukur untuk pengujian aktual, bukan aspek pendinginan, yang menurut TechRadar bisa secara signifikan mengurangi kisah efisiensi ini. Klaim keunggulan sejuta kali lipat dibanding komputer konvensional dalam rilis tersebut mengabaikan biaya refrigerasi.

Perdebatan Peer Review

Temuan ini memicu perdebatan peer review yang juga diterbitkan oleh Nature Communications, yang mencantumkan laporan referee dengan nada yang tidak biasa blak-blakan. Reviewer #2 menolak draf pertama, menyatakan draf kedua hanya bisa terbit dengan eksperimen tambahan, dan merekomendasikan agar versi final tidak diterbitkan, dengan pembuka “Authors write that they measure work. It is not true.” Reviewer tersebut berargumen bahwa gaya, perpindahan, dan kerja diestimasi atau disimpulkan, bukan diamati, dan meminta dua uji kewajaran: menunjukkan vortex didorong ke satu sumur dan tetap di sana, serta menunjukkan hopping spontannya berubah seiring temperatur seperti yang diprediksi aktivasi termal.

Para penulis menolak keduanya, dengan alasan scanning drift yang membatasi pencitraan statis hingga sekitar 20 nanometer dan mencatat bahwa perubahan temperatur juga mengubah lanskap pinning. Reviewer #3 mendukung publikasi, menyebut karya ini orisinal dan solid serta memperingatkan bahwa eksperimen tambahan bisa menundanya tanpa batas. Reviewer #1 menilai teknik ini tidak cocok untuk erasure pada kecepatan yang berguna dan mendorong judul yang lebih sederhana.

Selain itu, biaya pendinginan tidak diperhitungkan, dengan biaya refrigerasi dunia nyata tidak menjadi faktor. Masalah yang lebih besar lagi adalah kecepatan. Batas Landauer hanya bisa dicapai jika Anda meluangkan waktu, dan pekerjaan oleh Proesmans, Ehrich, dan Bechhoefer menunjukkan bahwa biaya tambahan erasure naik seiring operasi dipercepat. Estimasi Hebrew University berlaku pada 150 kHz, atau pada dasarnya satu operasi setiap 6,7 mikrodetik, sementara chip logika superkonduktor sudah di-clock pada 6 GHz lebih dari satu dekade lalu.

Melambat juga tidak membantu. Berdasarkan data noise para penulis sendiri, dua sumur yang menjadi inti hasil mendekati limit itu memungkinkan vortex melompat sendiri sekitar 3.000 hingga 7.000 kali per detik pada 4,2 K. Para penulis berargumen ini tidak masalah selama operasi berjalan jauh lebih cepat daripada hopping. Namun ini berarti sumur paling efisien menahan informasi jauh di bawah satu milidetik, dan makalah tersebut tidak menunjukkan satu sumur pun yang sekaligus mendekati limit dan mampu menyimpan data untuk waktu lama.

Tradeoff-nya, dengan demikian, adalah antara kecepatan, biaya, dan daya tahan, dan mengingat kasus penggunaannya adalah penyimpanan data, ini keputusan yang sulit. Memori vortex bukan hal yang sepenuhnya baru; kontribusi Hebrew University adalah akuntansi energi, dan klaim “pertama” mereka sempit, meski menggunakan satu vortex tunggal. Tim Hebrew University telah menghasilkan estimasi yang cermat namun agak diperdebatkan tentang seberapa murah satu vortex dapat digeser antara dua titik, sekaligus pengingat bahwa berada dekat limit fisik dan menjadi efisien di stopkontak adalah dua hal yang sangat berbeda.

[INFO_BOX]

Ringkasan Poin Utama

• Fisikawan Hebrew University of Jerusalem memperkirakan satu vortex superkonduktor bisa menjadi bit memori pada sekitar lima kali batas Landauer.
• Batas Landauer (kT ln 2) ditetapkan Rolf Landauer pada 1961, setara 2,9 zeptojoule pada suhu ruangan.
• Eksperimen memakai film niobium 55 nanometer, strip 10 mikrometer, didinginkan ke 4,2 kelvin, dan mikroskop SQUID-on-tip.
• Angka lima kali adalah estimasi berbasis simulasi pada 150 kHz, bukan pengukuran erasure sesungguhnya.
• Reviewer #2 menolak versi final; Reviewer #3 mendukung publikasi; Reviewer #1 menilai teknik tidak cocok untuk erasure cepat.
• Biaya pendinginan tidak diperhitungkan, dan kecepatan operasi jauh di bawah chip logika superkonduktor 6 GHz.

[/INFO_BOX]