世界最小の磁気データストレージユニットはわずか12個の原子で構成され、1バイトをわずか96個の原子に圧縮しています。これは情報ストレージの世界では画期的な小型化です。これは量子コンピュータではありませんが、量子スケールのコンピュータストレージユニットです。対照的に、現代のハードディスクドライブは1ビットの記憶に約100万個の原子を使用し、1バイトあたり5億個の原子を使用しています。
これまで、コンピューターが理解する基本的な情報である、信頼性が高く永続的なメモリビットを構築するために必要な原子の数は不明でした。IBMとドイツ自由電子レーザー科学センターの研究者たちは、磁気メモリビットを原子一つ一つから構築することを決定しました。彼らは走査型トンネル顕微鏡を用いて、6列ずつ整列した鉄原子の規則的なパターンを作成しました。その結果、1ビットを安全に記憶するには2列で十分であり、1バイトを記憶するには8列のペアで十分であることがわかりました。
データはSTMを用いてビットに書き込まれ、読み出される。つまり、この種のビットがすぐにハードディスクに搭載されるわけではない。しかし、IBMアルマデン研究所の原子ストレージ研究の主任研究者であり、この極小ビットに関する新論文の著者でもあるアンドレアス・ハインリッヒ氏は、このビットは古典力学システムの性質に関するいくつかの根本的な疑問に答えるものだと述べた。研究チームは量子挙動から古典挙動への遷移に興味を持っていたとハインリッヒ氏は述べた。
「原子一つを例に挙げると、その振る舞いを記述する際には量子力学を考慮する必要があります」と彼はインタビューで述べた。「（系を）どんどん大きくしていくと、複数の鉄原子が互いに対話を始め、ある時点でこうした量子的な振る舞いをすべて無視し、古典的な磁気構造として考えることができるようになります。」その時点は原子12個分ほどの大きさであることがわかった。
「多くの人は、これらの構造を記述するには量子力学システムを使う必要があると予想するでしょう」とハインリッヒ氏は述べた。「私にとって、それが最も驚くべきことでした。」
最小スケールでは、量子効果によって記憶情報がぼやけてしまう。例えば、6個の原子からなるビットでは、磁気状態（「0」から「1」への切り替え）が1秒間に約1,000回発生するが、これはデータストレージに利用するには頻度が高すぎるとハインリッヒ氏は述べた。8個の原子は1秒間に1回状態を切り替える。しかし、12個の原子は状態を低頻度で切り替えるため、ストレージに利用できる。つまり、外部からの磁気的影響（この場合はSTM）によって状態が変化するのだ。ナノ磁石は、わずか5ケルビン（摂氏マイナス450度）という低温でしか安定しない。
この論文のもう一つのブレークスルーは、ビットの反強磁性である。これは、反強磁性がデータ保存に使用された初めての事例である。ほとんどの現代のデータ保存やその他の用途で使用されている強磁性体は、鉄原子間の磁気的相互作用を利用して、全ての原子を一方向に整列させる。これにより、読み出し可能な磁場が生成される。しかし、これは極小スケールでは問題となる。密集した磁性ビットは互いに干渉する可能性があるためである。このことが、データ保存システムの小型化を制限している。しかし、この新しい12原子ビットは反強磁性を利用しており、原子は反対方向に整列しており、交互方向にスピンしている。鉄原子は窒素原子によって分離され、STMを用いて異なる方向にスピンするように誘導されたとハインリッヒは述べた。これにより、原子をより密集させて詰め込むことができ、保存密度が大幅に向上した。
研究者らはビットの磁気状態を5回切り替えて、ビッグブルーのスローガンの1つである「think」という単語の各文字のASCIIコードを保存した。
4か月前にIBMを退職しCFELに移籍し、この論文の主著者であるセバスチャン・ロス氏は、12原子ビットは量子スケールでの従来のコンピューティングに多くの新たな疑問を提起すると述べた。
「この能力を使えば、量子力学がどのように作用するかを調べることができます。量子磁石と古典磁石を分けるものは何でしょうか？ 両者の世界の境界で磁石はどのように振る舞うのでしょうか？ これらはすぐに答えが出るかもしれない、刺激的な疑問です」と彼は語った。
この論文は今週の『サイエンス』誌に掲載されている。
