Forskere blæser nyt liv i cd’en med tusind gange mere lagerplads

Fra gammeldags cd til kvanteskive

Forskere fra USA har præsenteret en metode, der teoretisk set kan gøre en skive på størrelse med en dvd i stand til at rumme tusindvis af film i høj opløsning. Det er ikke science fiction – det er et snedigt samspil mellem krystaller, lys og kvantefysik.

En klassisk cd eller dvd fungerer ved hjælp af en laser, der aflæser mikroskopiske fordybninger og flade områder på skivens overflade. Lagerkapaciteten hænger direkte sammen med den anvendte lysbølgelængde: jo kortere bølgelængde, jo mindre fordybninger og jo mere data pr. kvadratmillimeter.

Netop dér ligger begrænsningen ved nutidens optiske skiver. Lasere i forbrugerelektronik befinder sig groft sagt mellem 500 nanometer og 1 mikrometer. Det bestemmer, hvor tæt data kan pakkes på skiven. Blu-ray skubber allerede til den grænse, men løber nu ind i fysikkens naturlige mure.

Et forskerhold fra University of Chicago og Argonne National Laboratory griber problemet radikalt anderledes an. De arbejder ikke længere med store lasere og overfladiske fordybninger, men med nanoskala-krystaller, der opfanger lysenergi i mikroskopiske "fejl" i deres struktur.

Hvordan kvantumfejl erstatter en harddisk

Kernen i det nye koncept er et materiale baseret på magnesiumoxid (MgO). I dette krystalnet er der bevidst indsat ufuldkommenheder, såkaldte kvantedefekter. Det er steder, hvor krystalgitteret ikke er helt regelmæssigt, og hvor uparrede elektroner opholder sig.

Disse små fejl opfører sig som miniature hukommelsesblokke, der kan optage lys og frigive det igen.

Ud over disse defekter placerer forskerne såkaldte smalbåndsemittere: atomer eller ioner af sjældne jordartsmetaller, der udsender meget specifikke farver af lys. Netop fordi disse kilder producerer ekstremt præcise bølgelængder, opstår der et slags superkompakt farvespektrum, som kan bruges til at kode information.

Interaktionen fungerer overordnet sådan her:

• emitteren udsender lys med en meget præcist valgt bølgelængde;
• en kvantedefekt i krystallet optager denne lysenergi;
• defektens tilstand ændres og fungerer som databit – eller endda mere end én bit pr. defekt;
• et læsesignal kan efterfølgende hente den lagrede tilstand frem igen.

Ved hjælp af simuleringer og modeller har forskerne kortlagt, hvordan energien bevæger sig præcist mellem emittere og defekter på ekstremt korte afstande. Ifølge medforfatter Giulia Galli kan dette føre til et optisk lagersystem, der håndterer op til cirka tusind gange mere data pr. volumenenhed end nuværende cd- og dvd-teknologi.

Hvorfor lagertætheden bliver så meget større

Nøgleordet er skala. Fotonerne fra smalbåndsemitterne er meget "mindre" i den forstand, at deres effektive interaktionszone er langt smallere end lyspletterne fra klassiske lasere. Det gør det muligt at placere langt flere individuelle lagerpunkter i det samme stykke materiale.

Hvor en traditionel skive aflæser langs én overflade, kan et krystalvolumen udnyttes tredimensionalt. Kombineret med mange forskellige bølgelængder og de indre defekter opstår der separate lag og kanaler af data i samme stykke materiale.

Forfatterne beskriver i deres publikation en potentiel stigning i lagertæthed på op til en faktor tusind sammenlignet med traditionelle optiske medier. I praksis afhænger de endelige tal af defekternes stabilitet, støj, aflæsningsfejl og begrænsninger i produktionsprocessen.

Det store spørgsmål: Hvor længe holder informationen?

For et brugbart lagermedie handler det ikke kun om, hvor meget data der kan gemmes – det handler mindst lige så meget om, hvor længe informationen forbliver pålidelig. Netop dér ligger en af de største udfordringer for dette kvantekoncept.

Kvantedefekterne skal holde på den absorberede energi længe nok til at fungere som hukommelse. Forskerne ønsker at forstå, hvad der sker over sekunder, timer, dage eller år. Afgiver materialet sin ladning langsomt? Påvirkes det af vibrationer, temperatursvingninger eller kosmisk stråling?

Forsker Swarnabha Chattaraj understreger, at forståelsen af denne energioverførsel kun er det første skridt. Først når det er klart, hvor stabile tilstandene er, kan man begynde at tænke på fejlkorrektion, aflæsningsprotokoller og måder at overskrive bits på.

Temperatur som den største joker

Meget eksisterende kvanteteknologi – som visse qubits i kvantecomputere – fungerer udelukkende ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Det kræver store køleanlæg med flydende helium eller avancerede kryostater. For et forbrugerprodukt eller datacenteropbevaring er det fuldstændigt urealistisk.

Det nye system er netop designet til at fungere ved stuetemperatur. Det gør opgaven betydeligt sværere: varme skaber vibrationer i krystalnet og kan destabilisere kvantetilstande. Alligevel satser forskerne fuldt ud på materialer og defekter, der forbliver stabile nok under normale forhold.

Først når informationen holder sig intakt ved stuetemperatur i årevis, har denne teknologi en reel chance for at supplere harddiske og SSD'er på sigt.

Hvad man kunne gøre med sådan en skive

Hvis dette koncept modnes til en kommerciel teknologi, kan konsekvenserne blive store for sektorer, der er sultne efter datakapacitet. Tænk på:

• datacentre, der skal opbevare petabytes af sikkerhedskopier og arkiver;
• AI-virksomheder, der lagrer enorme datasæt med billeder, video og tekst;
• filmstudier og streamingtjenester med store biblioteker i 4K eller 8K;
• videnskabelige institutter, der ønsker at bevare måledata fra teleskoper, MRI-scannere eller partikelacceleratorer i årtier.

Et enkelt rack fyldt med kompakte optiske skiver med ekstrem høj tæthed kan i teorien erstatte klassiske båndbiblioteker – med hurtigere tilfældig aflæsning og mindre mekanisk slitage. For arkiver hos hospitaler, domstole eller medieorganisationer opstår muligheden for at bevare adgangen til råkildefiler langt længere, uden konstant at skulle slette data.

Ikke i butikkerne i morgen – men en seriøs retning

Forskerne befinder sig stadig i den tidlige fase. Der findes ingen produktdesign, ingen prototype i et laptopdrev og ingen produktionsrute til fabrikker. Det nuværende arbejde er i høj grad teoretisk, suppleret med begrænsede eksperimenter i et laboratorium.

Alligevel følger mange materialeforskere og chipproducenter opmærksomt med. Grænsen mellem lagring og behandling af data bliver stadig mere udvisket. Hvis lys og materialer på nanoskala kan styres så præcist, opstår kombinationer af hukommelse og optiske kredsløb, der på sigt også kan forsyne fotoniske processorer.

Hvad betyder kvantedefekter helt konkret?

For dem, der finder begrebet uklart: en kvantedefekt er kort sagt en fejl i et krystal, som naturvidenskaben elsker. Et atom mangler, er erstattet af en anden atomtype eller sidder ganske enkelt på den forkerte plads. Det skaber energiniveauer, hvor elektroner opfører sig anderledes end i resten af materialet.

Disse energiniveauer reagerer på meget specifikke farver af lys. Ved at sende præcis de rigtige farver kan man ændre tilstanden af en sådan defekt. I sammenhæng med lagerteknologi fungerer hver defekt som en miniature hukommelsescelle – langt mindre end en transistor i en moderne SSD-chip.

Hvad betyder det for dine data på lang sigt?

Forbrugere går ofte ud fra, at en ekstern harddisk eller cloud-lagring holder "for evigt". I praksis slides magnetiske og elektroniske lagre ned, filformater ændrer sig, og det koster datacentre enorme mængder energi at holde det hele kørende.

En ekstremt kompakt, optisk lagringsmetode med en levetid på årtier kan gøre arkiver langt mere robuste. Tænk på familiebilleder, spil, film og dokumenter, som du i dag gemmer i kopi flere steder. Hvis prisen pr. terabyte falder, bliver det realistisk at bevare store personlige arkiver på holdbare optiske medier – mens hurtige SSD'er primært bruges til daglig brug.

Foreløbig forbliver det et fascinerende fremtidsperspektiv. Men det skridt, disse forskere tager – fra groft laserlys til kontrollerede kvantefejl i krystaller – viser, at den klassiske cd langt fra har sagt sit sidste ord inden for optisk lagring.