Memoria en un vórtice: casi en el límite, lejos del enchufe

Físicos de la Universidad Hebrea de Jerusalén han calculado cuánta energía requiere un bit de memoria basado en un único vórtice superconductor. Según sus cálculos, en determinadas condiciones las pérdidas equivalen a unas cinco veces el límite de Landauer, el mínimo teórico de energía necesario para borrar un bit. Pero el experimento se realizó a la temperatura del helio líquido, y el gasto energético de la refrigeración no está incluido en la estimación anunciada. Por tanto, acercarse al límite fundamental no significa todavía ahorrar electricidad en un dispositivo real.

El límite de Landauer fue formulado en 1961 por el físico de IBM Rolf Landauer. Al borrar un bit, el sistema debe disipar al menos una energía kT ln 2: la cantidad depende de la temperatura y, a temperatura ambiente, asciende a unos 2,9 zeptojulios. Un zeptojulio es una sextillonésima de julio. Los chips actuales funcionan muy por encima de este mínimo teórico, por lo que los físicos investigan formas de reducir el consumo energético de los cálculos.

En el trabajo, publicado en Nature Communications el 24 de septiembre y presentado por la universidad el 11 de octubre, se utilizó un vórtice superconductor. En una fina película superconductora, el campo magnético puede atravesar el material en forma de diminutos tubos de flujo. Alrededor de cada uno circula una corriente eléctrica; el vórtice transporta un cuanto de flujo magnético y puede quedar atrapado en defectos del material.

El equipo dirigido por Yonatan Anagori fabricó una tira de película de niobio de 55 nanómetros de grosor y 10 micrómetros de ancho. A 4,2 kelvin —unos −269 °C—, una corriente continua desplazaba vórtices individuales hacia dos posiciones estables adyacentes, separadas por unos pocos nanómetros. Esas dos posiciones correspondían al cero y al uno, por lo que podían servir como estados de un bit.

A continuación, los investigadores aplicaron una corriente alterna que hacía oscilar el vórtice entre ambas posiciones. Siguieron su movimiento con un microscopio SQUID-on-tip, un sensor magnético montado en una sonda de vidrio afilada. Estimaron la energía disipada a partir del retraso del movimiento con respecto a la fuerza aplicada.

Los autores informaron de que, para un bit que funciona a 150 kilohercios, las pérdidas estimadas son unas cinco veces superiores al límite de Landauer. Eso equivale a una operación cada 6,7 microsegundos, aproximadamente. Sin embargo, en el experimento el vórtice se mantuvo en oscilación continua; no se borró un bit en sentido estricto, es decir, no se transformó un estado desconocido en otro predeterminado. El resumen del artículo afirma expresamente que el método empleado requiere una excitación sinusoidal continua y es incompatible con el protocolo de borrado de Landauer. Por eso, el valor cercano al límite se obtuvo mediante simulación numérica basada en las mediciones, no observando directamente un borrado. Además, la estimación de la universidad no incluye la energía de la instalación de refrigeración.

La interpretación de los resultados fue objeto de controversia durante la revisión por pares, cuyos materiales la revista publicó junto con el artículo. El revisor n.º 2 rechazó la versión inicial, exigió experimentos adicionales para la siguiente y no respaldó el texto final. Objetó que el trabajo, la fuerza y el desplazamiento se habían estimado o deducido indirectamente, en vez de medirse de forma directa. En concreto, propuso mostrar cómo se confina el vórtice en un único «pozo» de potencial y se mantiene allí, además de comprobar si la frecuencia de los saltos espontáneos del vórtice cambia con la temperatura, tal como predice la activación térmica.

Los autores no realizaron esas comprobaciones. Explicaron que la deriva del microscopio de barrido limita a unos 20 nanómetros la precisión de las imágenes estáticas, y que cambiar la temperatura modifica a la vez el paisaje de los pozos de potencial. El revisor n.º 3 calificó el trabajo de original y sólido, y advirtió de que los experimentos adicionales podrían retrasar la publicación indefinidamente. El revisor n.º 1 consideró que el método no servía para borrar a velocidades de utilidad práctica y aconsejó hacer más modesto el título del artículo.

También existe un compromiso más general entre energía y velocidad. El límite de Landauer solo se puede alcanzar si la operación es suficientemente lenta; los estudios de Proesmans, Erich y Bechhoefer muestran que el coste del borrado aumenta con la velocidad. La frecuencia de 150 kilohercios de la estimación del equipo parece modesta frente a la de los chips lógicos superconductores: hace más de diez años, estos funcionaban a 6 gigahercios.

Pero reducir la velocidad tampoco resuelve el problema del almacenamiento. Según los datos sobre el ruido, a 4,2 kelvin el vórtice salta espontáneamente entre los dos estados clave para el resultado entre 3.000 y 7.000 veces por segundo. Los autores consideran que es aceptable si las operaciones se realizan mucho más rápido que esos saltos aleatorios. Sin embargo, la información en esos estados se conserva menos de un milisegundo. El artículo no presenta ningún estado que combine pérdidas próximas al límite de Landauer con un almacenamiento prolongado de los datos.

Así pues, el estudio ofrece una estimación cautelosa y discutida de lo eficientemente que se puede desplazar un único vórtice superconductor entre dos posiciones. El principio de la memoria de vórtices no es nuevo; la principal aportación del equipo consiste en estimar el gasto energético de un vórtice individual. El resultado ilustra la diferencia entre acercarse al mínimo físico y lograr un dispositivo eficiente enchufado a la corriente: para una memoria práctica también importan la velocidad, la refrigeración y la conservación de los datos.