Naukowcy „wskrzeszają” płytę CD: tysiąc razy więcej danych na krążku

Stare płyty CD i DVD nagle wracają do gry, ale w zupełnie nowej, futurystycznej odsłonie.

Naukowcy pokazali, że optyczny krążek może pomieścić nawet tysiąc razy więcej danych niż dziś.

Zespół z Uniwersytetu Chicagowskiego opracował koncepcję nośnika, który nadal przypomina dysk optyczny, ale w środku działa zupełnie inaczej. Zamiast zwykłego plastiku i standardowego lasera, wykorzystuje kryształy tlenku magnezu i wyspecjalizowane emitery światła pracujące w skali nanometrów.

Od lasera na płycie CD do nanometrowych emiterów

Klasyczne płyty CD i DVD działają w prosty sposób: wiązka lasera o określonej długości fali odbija się od maleńkich zagłębień w warstwie nośnika. Rozdzielczość takiego zapisu ogranicza długość fali lasera – nie da się upchnąć ścieżek bliżej, niż pozwala na to fizyka.

Naukowcy z Chicago chcą obejść tę granicę, sięgając po tzw. emitery o wąskim paśmie, zbudowane z pierwiastków ziem rzadkich. Generują one bardzo precyzyjne długości fali światła, a w połączeniu z odpowiednim materiałem – w tym przypadku kryształami tlenku magnezu (MgO) – tworzą zupełnie nową platformę do zapisu informacji.

Nowa metoda może zagęścić zapis danych nawet około tysiąc razy w porównaniu z dzisiejszymi płytami optycznymi, przy zbliżonym fizycznym rozmiarze nośnika.

Zamiast prostych „dołków” jak na CD, tu wykorzystywane są procesy zachodzące na poziomie atomowym i elektronowym. To inna liga niż dotychczasowe nośniki optyczne.

Defekty kwantowe – drobna wada, ogromna korzyść

Klucz leży w zjawisku nazywanym defektami kwantowymi w strukturze kryształu. To mikroskopijne „błędy” w idealnej siatce atomów, w których pojawiają się niesparowane elektrony. Z perspektywy inżynierii materiałowej coś takiego zwykle wygląda jak problem, ale tutaj staje się atutem.

Te defekty potrafią pochłaniać energię świetlną pochodzącą z pobliskich emiterów. W praktyce oznacza to, że każdy taki defekt może zadziałać jak maleńki magazyn energii, a przez to – jak komórka pamięci optycznej. Sterując tym, gdzie i jak energia jest przechowywana, można zapisać ogromną ilość informacji na bardzo małym obszarze.

Jak to ma działać w praktyce

• emitery o wąskim paśmie wysyłają precyzyjne impulsy świetlne,
• impulsy trafiają w obszary z defektami kwantowymi w krysztale MgO,
• defekty pochłaniają energię i przechodzą w określony stan, który odpowiada zapisowi danych,
• odczyt polega na analizie tego, jak defekty reagują na kolejne impulsy światła.

Profesor Giulia Galli, współautorka badań opublikowanych w „Physical Review Research”, podkreśla, że zespół skupił się na modelowaniu tego, jak dokładnie energia „przeskakuje” między emiterami a defektami w skali wielokrotnie mniejszej niż grubość ludzkiego włosa.

Tysiąc razy więcej danych niż na dzisiejszych płytach

W standardowych napędach optycznych wykorzystywane fotony mają długość fali z przedziału mniej więcej 500 nanometrów do 1 mikrometra. To narzuca limit na gęstość zapisu: nie można tworzyć struktur mniejszych niż pewna część długości fali.

Emitery użyte w nowym rozwiązaniu generują fale znacznie „ciaśniejsze” i bardziej kontrolowane. Dzięki temu teoretyczna gęstość zapisu może wzrosnąć aż około tysiąckrotnie. Przekładając to na język codzienny: jedna płyta wielkości dobrze znanego DVD mogłaby przechować biblioteki danych, które dziś wymagają całych szaf serwerowych.

Wyobrażenie, które podają naukowcy, jest proste: krążek podobny do DVD, na którym zmieści się kilka tysięcy filmów w wysokiej rozdzielczości lub kompletne zbiory danych dużych firm.

Dla centrów danych, firm tworzących systemy AI czy archiwów filmowych to nie byłoby tylko kosmetyczne ulepszenie. To zmiana porządku gry, z wpływem na koszty, zużycie energii i fizyczną przestrzeń potrzebną na przechowywanie informacji.

Największe problemy: czas przechowywania i temperatura

Na razie to wciąż koncepcja laboratoryjna. Aby wizja „superpłyty” trafiła na rynek, zespół musi odpowiedzieć na kilka bardzo konkretnych pytań technicznych.

Badacze podkreślają, że prawdziwy przełom nastąpi wtedy, gdy nośnik będzie działał w warunkach zbliżonych do temperatury pokojowej. Bez specjalistycznych kriogenicznych instalacji technologia mogłaby trafić do serwerowni, a z czasem nawet do zaawansowanych urządzeń konsumenckich.

Dlaczego branża danych tak bardzo czeka na nowe nośniki

Zapisywanie informacji na twardych dyskach i w pamięciach flash ma swoje ograniczenia. Wymagają one stałego zasilania, są podatne na zużycie, a przy rosnącej liczbie danych rosną też rachunki za prąd i chłodzenie serwerowni.

Optyczne nośniki o ekstremalnie dużej pojemności mogłyby część tego ciężaru przejąć. Duże centra danych mogłyby na przykład:

• trzymać rzadko używane archiwa na bardzo gęstych krążkach,
• zmniejszyć liczbę aktywnych, obracających się dysków twardych,
• ograniczyć zapotrzebowanie na energię i chłodzenie,
• zabezpieczyć dane przed częścią typowych awarii elektronicznych.

Dla sztucznej inteligencji, która uczy się na gigantycznych zbiorach danych, taki nośnik mógłby stać się zapleczem dla długoterminowych baz treningowych. Z kolei studia filmowe i serwisy streamingowe zyskałyby znacznie tańszą przestrzeń archiwalną dla swoich bibliotek treści w jakości 4K, 8K i wyższej.

Skąd w ogóle pomysł na „wznowienie” płyt optycznych

W erze streamingu i chmury płyty wydają się przeżytkiem. Trudno dziś znaleźć w domu działający odtwarzacz CD, a tym bardziej stacjonarny odtwarzacz DVD. Naukowcy patrzą jednak na nośniki nie przez pryzmat domowej rozrywki, ale fizyki i inżynierii.

Płaski, stabilny krążek, który można wyprodukować masowo i przechowywać w dużych ilościach, wciąż ma wiele zalet. Zwłaszcza jeśli jego wnętrze całkowicie zmienia sposób zapisu danych. Nowy koncept łączy więc to, co dobrze znane z lat 90. i 2000., z najnowszymi trendami w mechanice kwantowej i fotonice.

Jak może wyglądać rozwój tej technologii

Naukowcy są dopiero na początku drogi. Możliwy scenariusz na kolejne lata mógłby wyglądać tak:

Trudno dziś przewidzieć, czy takie krążki kiedykolwiek trafią do domowych napędów. Bardziej realny wydaje się scenariusz, w którym pozostaną w rękach firm i instytucji, podobnie jak taśmy magnetyczne w centrach archiwizacyjnych.

Dlaczego mechanika kwantowa tak mocno wchodzi w pamięci masowe

Nowe badania wpisują się w szerszy trend: zamiast tylko przyspieszać znane technologie, inżynierowie sięgają do samej struktury materii. Zjawiska kwantowe, które kiedyś kojarzyły się z abstrakcyjną fizyką, coraz częściej służą do bardzo praktycznych celów – od czujników medycznych po szyfrowanie komunikacji.

W przypadku pamięci masowych wykorzystanie defektów kwantowych pozwala traktować pojedyncze elektrony i ich stany energetyczne jak bit lub, w przyszłości, jednostkę bardziej złożonej informacji. Taka skala kontroli nad materiałem otwiera drogę do nośników o pojemnościach, które jeszcze kilka lat temu brzmiały jak fantastyka naukowa.

Dla przeciętnego użytkownika ważniejsze od samej nazwy zjawiska pozostaną praktyczne skutki: mniejsze rachunki firm technologicznych, bardziej rozbudowane usługi w chmurze, lepsza jakość wideo bez obaw o „zapchanie” serwerów. Jeśli badaczom uda się doprowadzić projekt do użytecznej formy, płyta CD może wrócić nie jako gadżet retro, lecz jako jedno z najbardziej pojemnych narzędzi w historii przechowywania danych.