CD vender tilbage i ny form: forskere pakker data tusind gange tættere

Klassiske plader er ude, men en ny æra er på vej

Klassiske optiske plader har længe samlet støv, men forskere har nu fundet en måde at genopfinde denne teknologi fra bunden.

Det handler ikke om en overfladisk opdatering af noget gammelt. Et forskerhold fra University of Chicago arbejder på en helt ny metode til at lagre information i krystaller. Ifølge forskerne kunne en sådan "superdisk" rumme op til tusind gange mere data end nutidens plader og optiske drev.

Hvorfor den klassiske CD ikke længere slår til

Standard-cd'er og dvd'er har ramt en fysisk mur. Mængden af data, man kan brænde på en skive, begrænses af laserlysets bølgelængde — den laser, der brænder eller aflæser de bittesmå fordybninger på diskens overflade. Jo kortere bølgelængde, jo mindre kan de enkelte dataenheder være.

Branchen forsøgte i årevis at skubbe denne grænse — fra cd til dvd og siden til Blu-ray. Hvert skridt bragte kortere laserbølgelængder og tættere datapakkning, men gevinsterne begyndte hurtigt at skrumpe. På et tidspunkt kan man simpelthen ikke bare "gøre laseren mindre" i det uendelige.

Forskerne fra Chicago valgte derfor en helt anden tilgang. I stedet for at jage endnu en ny laserfarve foreslog de at ændre selve lagermaterialet og den måde, det reagerer på lys.

Det nye medie: Magnesiumkrystaller og smalspektrede emittere

Kernen i deres koncept er en krystal af magnesiumoxid (MgO) kombineret med såkaldte smalspektrede emittere. Disse emittere opstår fra sjældne jordarters urenheder i materialet og udsender præcist definerede lysbølgelængder.

Det nye system anvender ekstremt præcist kalibrerede fotoner, hvilket gør det muligt at pakke information op til tusind gange tættere end i nuværende optiske drev.

Den afgørende idé er at kombinere disse emittere med såkaldte kvantedefekter i krystallen. Defekter er mikroskopiske "fejl" i materialets ordnede struktur — en manglende atom, fremmede urenheder eller andre forstyrrelser i krystalgitteret. På atomartniveau fungerer disse steder som fælder for elektroner og energi.

Emitterne udsender meget smalbåndede fotoner, og kvantedefekterne kan absorbere og "gemme" denne energi. Forskerne undersøgte derfor, hvordan energi bevæger sig mellem emittere og defekter over mikroskopiske afstande. Netop denne overførsel er tænkt som grundlaget for en ny type optisk lagring.

Hvad er kvantedefekter — forklaret enkelt

I en ideel krystal har hvert atom sin faste plads. I praksis opstår der huller og fremmede urenheder. For fysikere er det ikke en fejl, men en enorm mulighed. På sådanne steder dannes kvantetilstande, der kan aktiveres med lys og derefter aflæses — præcis som en hukommelsescelle.

• Punktdefekt — et gitterknudepunkt, hvor et atom mangler eller er erstattet af et andet grundstof.
• Fanget elektron — på sådanne steder er det nemt at "fange" et elektron med en bestemt energi.
• Lysreaktion — defekten kan absorbere en foton, ændre tilstand og siden frigive denne energi ved aflæsning.

I den nye tilgang kunne hver enkelt defekt gemme en specifik datamængde, kodet via energien og farven på det lys, som de nærliggende emissionscentre udsender.

Tusind gange højere lagertæthed

Nutidens lasere i optiske drev arbejder med fotoner med en bølgelængde på cirka 500 nanometer til 1 mikrometer. En foton fra den nye type emitter er langt "mindre" i den forstand, at det effektive område, den påvirker i materialet, er markant reduceret.

Holdet fra University of Chicago vurderer, at kvantedefekter kombineret med smalspektrede emittere kan skabe et lagringsmedie med en datatæthed op til tusind gange højere end nuværende optiske plader.

I praksis ville det betyde, at en skive på størrelse med en klassisk dvd eller Blu-ray ville kunne indeholde følgende:

En sådan kapacitet ville være nok til at gemme tusindvis af film i høj opløsning på én enkelt disk — eller enorme træningsdatasæt til AI-systemer i form af et fysisk arkiv.

De største udfordringer: lagringstid og temperatur

Selv om tallene imponerer, befinder projektet sig stadig på et meget tidligt stadie. Forskerholdet har foreløbig demonstreret, at energi kan strømme kontrolleret mellem emittere og defekter. Der er dog en række meget konkrete teknologiske spørgsmål, der stadig mangler svar.

Hvor længe "husker" en defekt de lagrede data?

Det vigtigste spørgsmål er: Hvor længe kan en kvantedefekt holde fast i energien, inden den spredes? For brugeren er det afgørende, om mediet bevarer data i timer, dage eller år. Hvis den lagrede tilstand i materialet forsvinder for hurtigt, er anvendelse til dataarkivering urealistisk.

Forskerne skal derfor undersøge stabiliteten af disse tilstande under forskellige driftsbetingelser og finde metoder til at forlænge lagringstiden mest muligt.

Temperaturproblemet og dekoherens

Det andet store tema er temperatur. De fleste nuværende kvantebaserede teknologier — som kvantecomputere og avancerede detektorer — kræver drift tæt på det absolutte nulpunkt. Kun i så ekstreme kuldeforhold undgår de skrøbelige kvantetilstande at blive ødelagt af omgivelserne — et fænomen kaldet dekoherens.

Holdets mål er at bygge et lagringsmedie, der fungerer under normale rumtemperaturer, uden behov for kompliceret kryogenik og avanceret køling.

Hvis det lykkes at opnå stabile kvantedefekter ved den temperatur, man finder på et kontor eller i en serverhal, åbner det vejen til reelle anvendelser. Ellers risikerer teknologien at blive en laboratorienysgerrighed uden praktisk relevans.

Hvem ville have mest gavn af en sådan "superdisk"?

Der er mange potentielle aftagere, men nogle aktører ville have langt det største udbytte. Den nye type medie kan fuldstændigt omforme den måde, vi tænker arkivering af enorme datamængder på.

• Datacentre — muligheden for at pakke mange terabyte på én disk reducerer det nødvendige areal til arkiver og sænker energiomkostningerne.
• AI og big data — maskinlæringsmodeller kræver enorme datasæt, der skal opbevares sikkert over lang tid.
• Filmbranchen og streaming — studier kunne arkivere komplette videobiblioteker i endnu højere opløsning uden at vedligeholde tusindvis af harddiske.
• Offentlige institutioner — statslige, medicinske og videnskabelige arkiver vil gerne have et medie, der kombinerer stor kapacitet med holdbarhed over tid.

For den almindelige bruger ville et sådant medie måske se ud som en klassisk optisk disk — men drevet og hele datakodningssystemet bag ville se fundamentalt anderledes ud end cd og Blu-ray.

Hvorfor kvantefysik passer så godt til datalagring

Kvantefysik forbindes ofte med eksotiske laboratoriefænomener, men dens fordele matcher præcis de behov, lagringsbranchens fremtid stiller. Kvantetilstande kan kontrolleres meget præcist, og en enkelt "informationsbærer" kan have størrelsen af ét atom eller en lille gruppe atomer.

Hvis forskerne lærer at fremstille krystaller med kontrollerede defekter og urenheder i stor skala, opstår muligheden for tæt lagring i en tredimensionel materialstruktur — ikke kun på overfladen som på traditionelle plader.

Derudover kan denne type hukommelse kobles sammen med andre kvanteteknologier — for eksempel fotoniske processorer eller kvantenetværk. Mediet ville da blive en del af et større økosystem, hvor data skabes, behandles og arkiveres uden at skulle konverteres til "klassiske" formater undervejs.

Hvor langt er forskningen nået?

Det beskrevne system er stadig et forskningsmæssigt konstrukt, udviklet og publiceret i et videnskabeligt tidsskrift. Forskerne har gennemført detaljerede simuleringer og eksperimenter på materialeniveau — ikke som et færdigt forbrugerprodukt.

Foran dem ligger arbejdet med at skalere hele teknologien op: Det skal vises, at store, ensartede krystaller med korrekt placerede defekter kan produceres, at der kan udvikles metoder til masselagring og -aflæsning, og at der kan skabes controllere, som oversætter komplekse kvantetilstande til almindelige nuller og et-taller.

Det kræver samarbejde mellem fysikere, materialeingenikører og lagringsspecialister. Denne fase tager typisk år — men det er netop her, det afgøres, om et laboratoriebegreb om nogle sæsoner ender i serverrum og butikker.

Hvad denne teknologi kan betyde for den almindelige bruger

For den gennemsnitlige person er den mest spændende udsigt et markant billigere, mere holdbart og mere kompakt dataarkiv. Selv hvis den nye generation af medier i lang tid forbliver forbeholdt serverrum og institutioner, vil hverdagsbrugere med tiden nyde godt af det — om ikke andet indirekte gennem billigere cloud-tjenester, hurtigere streamingplatforme og nye former for indholdsdistribution.

Det er også værd at huske, at datalagring udgør en enorm energimæssig omkostning for hele it-branchen. Et medie, der kombinerer høj datatæthed med lang holdbarhed og lavt energiforbrug under "passiv" opbevaring, kan reelt reducere det digitale infrastrukturers CO2-aftryk. Jo færre roterende harddiske, jo mindre strøm bruges blot på at lade data "ligge og vente".

For yngre læsere, der primært kender plader fra memes og film, kan den nye teknologi komme som en overraskelse: Et fysisk lagringsmedie begynder igen at give mening. Hvis forskningen lykkes, kan en skive på størrelse med den velkendte cd om blot en håndfuld år blive ét af de kraftigste datalagre i elektronikkens historie.