Ein winziger Wirbel in einem supraleitenden Material ermöglicht es, ein Bit mit einem Energieaufwand zu manipulieren, der nahe an einer fundamentalen Grenze der Physik liegt.
Ein klassisches Bit kann zwei Zustände annehmen, die mit 0 und 1 bezeichnet werden. Hier nutzen die Forschenden keine in einem Transistor gespeicherte elektrische Ladung. Sie machen sich einen supraleitenden Wirbel zunutze, einen winzigen Bereich, um den im Material ein Strom fließt. Seine Position dient direkt dazu, einen der beiden Bitzustände darzustellen.
Experimentelle Vorrichtung mit einem supraleitenden Wirbel, der in einem nanoskaligen Fangpotential eingeschlossen ist.
Quelle: Fridman et al., Nature Communications (2026), Lizenz CC BY 4.0.
Um diesen Wirbel zu halten, erzeugte das Team eine nanoskalige Falle mit zwei stabilen Positionen. Eine auf das System ausgeübte Kraft kann den Wirbel von einer Position in die andere bewegen: von 0 zu 1 oder umgekehrt. Die Forschenden untersuchten die Kraft, die für diese Bewegungen erforderlich ist, um die nötige Energie für den Wechsel von 0 zu 1 und umgekehrt zu bestimmen.
Das Experiment funktioniert bei 4,2 K, also etwa -268,95 °C. Bei dieser Temperatur ist das Material supraleitend: Der Strom kann darin ohne den üblichen elektrischen Widerstand fließen.
Die energetische Bedeutung zeigt sich, wenn ein Bit verändert werden muss. Die Physik schreibt für diesen Vorgang, genauer gesagt für ein Löschen, einen Mindestaufwand vor: Dieser Aufwand wird als Landauer-Grenze bezeichnet. Sie hängt von der Temperatur ab. Bei 4,2 K beträgt diese Grenze etwa 4 × 10-23 Joule pro Bit – eine extrem geringe Menge im Maßstab eines elektronischen Geräts.
Die Forschenden haben jedoch keinen direkten Vorgang gemessen, der dem Landauer-Protokoll entspricht. Ihre experimentelle Vorrichtung ist mit diesem genau definierten Protokoll nicht vereinbar. Daher nutzten sie numerische Simulationen, um die Energie eines geeigneten Vorgangs zu bewerten. Das Ergebnis liegt weniger als einen Faktor zehn ĂĽber der theoretischen Grenze.
Die Forschungsarbeit stellt hier also keinen vollständigen Computerspeicher vor, der nahezu das absolute Minimum verbraucht. Sie zeigt, dass sich ein auf der Position eines supraleitenden Wirbels basierendes Bit im untersuchten Modell dieser Grenze beträchtlich annähern kann. Sein Betrieb bei sehr niedrigen Temperaturen beschränkt diesen Ansatz zudem auf bereits gekühlte Systeme; andernfalls verliert der energetische Vorteil offensichtlich seine Bedeutung.
Die Autoren erwägen insbesondere eine Integration mit kryogenen Quantenschaltungen, die ebenfalls bei niedrigen Temperaturen funktionieren. Sie sprechen außerdem über eine mögliche Nutzung dieser Wirbel in bestimmten Architekturen für Quantencomputer. Die nächsten Schritte müssen aus diesem einzelnen Bit steuerbare Elemente machen, die sich in größere Schaltungen integrieren lassen.