Pamięć masowa zainspirowana kwantami może zgromadzić 100 terabajtów danych na maleńkim krysztale - z możliwością przekształcenia ich w znacznie większe dyski

Działanie tej technologii polega na wykorzystaniu lasera o określonej energii do pobudzenia elektronu, który następnie zostaje „uwięziony” w strukturze. Powiększona wersja tego urządzenia może pewnego dnia przechowywać petabajty danych. Zdjęcie: Zhong Lab

Naukowcy opracowali sposób na przechowywanie i odczytywanie danych z pojedynczych atomów osadzonych w maleńkich kryształach o wielkości zaledwie kilku milimetrów (gdzie 1 mm to 0,04 cala). 

Jeśli zostanie on zwiększony, może pewnego dnia doprowadzić do powstania systemów pamięci masowej o ultrawysokiej gęstości, zdolnych do przechowywania petabajtów danych na jednym dysku - gdzie 1 PB jest odpowiednikiem około 5000 filmów 4K.

Kodowanie danych jako 1 i 0 jest tak stare, jak cała historia informatyki, a jedyną różnicą jest nośnik używany do przechowywania tych danych - od lamp próżniowych migających przy włączaniu i wyłączaniu, maleńkich tranzystorów elektronicznych, a nawet płyt kompaktowych (CD), z wgłębieniami na powierzchni reprezentującymi 1 i gładkością oznaczającą 0.

Obecnie trwa polowanie na jeszcze gęstsze przechowywanie danych, co prowadzi naukowców do świata subatomowego. 

W nowym badaniu opublikowanym 14 lutego w czasopiśmie Nanophotonics, naukowcy wykorzystali elektron uwięziony przez defekt w krysztale do reprezentowania 1, a brak uwięzionego elektronu oznacza 0.

Naukowcy stwierdzili, że praca została zainspirowana technikami kwantowymi. W szczególności zintegrowali fizykę ciała stałego stosowaną w dozymetrii promieniowania z grupą badawczą pracującą intensywnie nad pamięcią kwantową - ale ta konkretna praca buduje klasyczną pamięć obliczeniową.

Technologia ta działa poprzez świecenie laserem z określoną ilością energii, która wzbudza elektron. 

W tej chwili urządzenie odczytujące może zarejestrować obecność światła. 

Brak światła oznacza brak uwięzionego elektronu.

„Defekty te mają bardzo pozytywną charakterystykę”, powiedział Live Science pierwszy autor badania, Leonardo França, badacz podoktorancki w dziedzinie fizyki na Uniwersytecie w Chicago. „Jedną z nich jest zdolność do przechowywania ładunku”.

Powiązanie: Ludzki genom przechowywany w niemal niezniszczalnym „krysztale pamięci 5D”, który może przetrwać do końca wszechświata

Zdając sobie z tego sprawę, zespół wykorzystał jony ziem rzadkich jako domieszki - zanieczyszczenia dodawane do materiału w celu zmiany jego właściwości - a kluczem było opracowanie sposobu na wzbudzenie elektronu z określonego jonu ziem rzadkich, aby następnie został on uwięziony. 

Wyobrażając sobie, jak działa płyta CD, byłoby to równoznaczne z utworzeniem dołu.

„Musimy dostarczyć wystarczającą ilość energii, aby uwolnić elektron z jonu ziem rzadkich, a defekt - pobliski defekt - to wyczuje” - powiedział França. 

„Więc przechwytujesz elektron przez wewnętrzne pole elektryczne. To jest część dotycząca pisania”.

Następnie przychodzi czas na odczyt danych. „Zasadniczo musisz użyć innego źródła światła, aby elektron został uwolniony z defektu” - powiedział França. 

„A to prowadzi do rekombinacji ładunków i emisji światła”.

Tworzenie magazynu danych przyszłości

Gdyby proces działał dokładnie w ten sposób, dane byłyby usuwane za każdym razem, gdy były odczytywane, ale użycie mniejszej ilości światła spowodowałoby tylko „częściowe usunięcie informacji”, powiedział França. 

Tak więc z czasem wyblaknie, w podobny sposób, w jaki dane przechowywane na taśmach blakną przez 10 do 30 lat.

Podczas gdy zespół wykorzystał pierwiastek ziem rzadkich prazeodym i kryształ tlenku itru, prace można również rozszerzyć na inne kryształy pierwiastków ziem rzadkich z innymi niedomieszkami. 

Ale pierwiastki ziem rzadkich mają tę zaletę, że zapewniają znane i specyficzne długości fal, które pozwalają nam wzbudzać elektrony za pomocą standardowych laserów.

Początkowym celem badaczy było zajęcie się poszczególnymi atomami. 

Nie osiągnęli jeszcze tego celu, ale França wierzy, że technika, którą opracował zespół, stawia ich na właściwej drodze.

Apetyt na dalsze badania wynika z tego, jak skalowalna jest ta technologia, potencjalnie wprowadzając w przyszłości tanie formaty pamięci masowej o dużej gęstości do różnych zastosowań, powiedział França.

Dobrą wiadomością jest to, że optyczna, laserowa strona równania jest już dobrze poznana i tania. 

Podobnie, produkcja kryształu na dużą skalę kosztowałaby niewiele pieniędzy. 

Pozostaje więc koszt nabycia pierwiastków ziem rzadkich i opracowania sposobu na wprowadzenie wad przy użyciu metod masowej produkcji.

Dodał, że jeśli uda się pokonać te przeszkody, kryształ będzie mógł być wytwarzany jako dysk i odczytywany przez niedrogie czytniki. 

Ostatnie pytanie dotyczy tego, jak gęsto można przechowywać dane na hipotetycznym dysku.

„W naszym krysztale, w którym mamy około 40 mm3 [0,002 cala sześciennego], moglibyśmy przechowywać kilkaset terabajtów”, powiedział França Live Science. 

Po przeprowadzeniu pewnych obliczeń oszacował tę liczbę na około 260 TB.

Liczba ta opiera się na krysztale badanym przez naukowców, ale França widzi przyszłość, w której można łatwo zwiększyć gęstość defektów. 

To naturalnie prowadzi do możliwości przechowywania PB danych na pojedynczym urządzeniu wielkości dysku.