超导存储位逼近兰道尔极限：希伯来大学研究引发争议
耶路撒冷希伯来大学的物理学家团队近日发表研究称，单个超导涡旋（vortex）作为存储位时，其能量消耗估计仅约为兰道尔极限的5倍。这一结果是在4.2开尔文（约-269°C）的温度下得出的。
该研究由Jonathan Anahory领导，论文于9月24日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上，并于10月11日由大学正式公布。尽管在排除制冷成本的情况下，这种方案理论上比传统计算机高效百万倍，但同行评审过程揭示了其在实验验证和实际适用性方面的显著争议。
兰道尔极限与超导涡旋机制
根据IBM物理学家Rolf Landauer在1961年提出的理论，每当计算机删除一个比特信息时，必须付出最小的能量代价，即 $kT \ln 2$。这一最小值随温度升高而增大，在室温下约为2.9仄焦耳（zeptojoules）。长期以来，任何实际芯片都无法接近这一理论下限。
希伯来大学的研究利用了在薄超导膜中穿行的磁场管道，每个管道周围环绕着循环电流，形成纳米级的电流漩涡。团队使用了厚度为55纳米的薄膜，通过施加平稳的直流电流将单个涡旋推入薄膜的自然无序状态中形成的两个相邻势阱。这两个位置分别代表逻辑“0”和“1”，从而实现了信息的存储。
研究人员使用尖端SQUID显微镜跟踪涡旋的运动，并通过交替电流使其在两个势阱间摆动，以测量每个循环中的能量损失。然而，新闻稿强调，所报告的数值涵盖了实际测试中测量的能量损耗，并未包含冷却系统的能耗，后者可能会大幅降低整体效率。
模拟估算而非直接测量
论文摘要明确指出：“我们的实验方法需要与兰道尔擦除协议不兼容的稳定正弦驱动器。”因此，所谓的“接近极限”的数据主要归因于数值分析，而非直接的实验测量。
实验室直接测量的是涡旋在不断前后摆动时的耗散情况。作者基于这些数据，通过模拟估算了真正的“擦除”成本——即将未知状态的比特变为已知状态所需的能量。文中提到的“5倍于兰道尔极限”的数字，是作者对以150kHz频率驱动的工作位进行的估算。
同行评审中的质疑
这项研究在同行评审阶段引发了激烈争论。评论员#2拒绝了初稿，并建议反对最终版本的发表，指出作者在描述中声称“测量了工作”，但实际上力、位移和工作量均为估计或推断值，而非直接观察所得。评论员要求补充两项理智检查：一是展示涡旋被推入势阱并停留在那里；二是展示其自发跳跃随温度的变化符合热激活预测。
作者拒绝了这两项要求，理由是扫描漂移限制了静态成像精度在20纳米左右，且指出温度变化本身也会重塑固定景观。相比之下，评论员#3支持出版，认为这项工作具有原创性和健全性，警告额外的实验可能会无限期推迟发表。评论员#1则认为该技术无法以有用的速度执行擦除操作，并建议使用更温和的标题。
速度、成本与耐久性的权衡
除了未考虑冷却成本外，速度是该技术面临的另一大挑战。普雷斯曼斯（Presman）、埃里希（Erich）和贝赫霍弗（Behnhof）等人的研究表明，随着操作速度的加快，擦除操作的额外能量成本会增加。只有花费足够长的时间才能达到兰道尔极限。
希伯来大学的估算适用于150kHz的频率，即每6.7微秒进行一次操作。然而，放慢速度并非解决方案。根据作者提供的噪声数据，在4.2K低温下，对于实现接近极限结果至关重要的两个势阱，涡旋每秒会自行发生约3,000到7,000次跳跃。
作者认为，只要操作速度远快于这些自发跳跃，系统就是稳定的。但这意味着最高效的数据库存储信息的时间远远不到千分之一秒。目前的论文并未展示一个既能接近能量极限，又能长时间稳定存储数据的数据库实例。
因此，在速度、成本和耐久性之间存在明显的权衡，尤其是考虑到数据存储的实际应用场景。虽然“涡旋记忆”概念并非全新，但希伯来大学的贡献在于提供了能源会计方面的估算，尽管这仅基于单个涡旋的研究。
