Квантовые дефекты и возрождение CD и DVD: революция в оптических носителях данных?

Объем информации, генерируемой ежегодно, растет: так, сейчас человечество создает около 147 зеттабайт данных в год, а к 2025 году этот показатель может вырастет до 181 зеттабайта. Необходимость новых решений в хранении информации становится все острее, поэтому производители накопителей данных постоянно разрабатывают более емкие системы.

Но, возможно, стоит не только искать новые технологии, но и совершенствовать уже существующие. Новые исследования Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории показали, что давно забытые CD и DVD могут обрести вторую жизнь. Использование квантовых дефектов и редкоземельных элементов позволяет многократно увеличивать плотность данных на оптических носителях. Возможно, что они смогут конкурировать с современными технологиями хранения​. Справедливости ради стоит сказать, что вопросов к этой работе больше, чем ответов. Подробности — под катом.

Ограничения оптических дисков

Чтобы понять, что стоит за этим научным прорывом, давайте вспомним о лимитах CD- и DVD-носителей. Их основной недостаток — это лимитированная плотность данных, обусловленная дифракционным пределом света. Минимальный размер области для записи ограничен самой длиной световой волны. На CD используется 780 нм лазер и расстояние 1,6 мкм. В DVD дисках, где плотность записи выше, длина волны лазера — 635 нм, а шаг записи снижен до 0,74 мкм. Поэтому стандартный CD-диск может хранить всего около 700 Мб данных, а DVD — до 4,7 Гб на однослойном диске. Выйти за этот предел традиционными методами нельзя, мы уткнулись здесь в потолок самой технологии.

Преодоление ограничений и потенциальное решение проблемы долговечности

Возможно, из терниев можно отправиться к звездам. Недавние исследования показали, что интеграция редкоземельных элементов в оптические носители данных и создание «квантовых дефектов» могут кардинально изменить ситуацию. Квантовые дефекты представляют собой мельчайшие аномалии в структуре кристаллической решетки материала, способные поглощать и удерживать световые волны с определенными длинами. Исследователи предложили использовать для записи информации мультиплексирование длин волн, что позволяет хранить несколько бит данных на одной и той же площади диска. Принцип заключается в том, что разные участки носителя могут быть настроены на определенные длины волн, которые впоследствии считываются с большей плотностью информации​.

Этот способ позволяет увеличить объем записываемых данных на носителе со значительным снижением размера последнего. В теории можно создать новый вид многослойного оптического диска, который вмещает в 1 000 раз больше информации, чем традиционные CD/DVD​.

Эксперименты проводились с использованием оксида магния (MgO) с добавлением атомов редкоземельных элементов, которые могут поглощать и переизлучать свет на очень специфических длинах волн. При взаимодействии с квантовыми дефектами такие «излучатели» стабильно сохраняют информацию в спиновом состоянии, что делает систему перспективной для долговременного хранения данных​.

Но это исследование нуждается в дальнейшей проверке. Команда ученых пока не определила, насколько долговечными будут такие носители данных в реальных условиях эксплуатации. Важно отметить, что многие квантовые технологии требуют криогенного охлаждения, а это невозможно и нерентабельно для массового внедрения​. Представить себе привод для лазерных дисков, функционирующий при криогенных температурах, можно, конечно, но в реальности такая система станет работать лишь в лабораторных условиях и коммерчески применимой не будет.

Исследователи продолжают изучать стабильность таких систем и эффективность процесса передачи энергии между излучателями и квантовыми дефектами, применяя комбинацию классических физических методов записи информации и квантового моделирования.

Оптические диски нового типа имеют высокие шансы для работы в архивном хранении данных. Такие системы, при условии разработки коммерчески пригодной технологии, станут закупать для правительственных учреждений, научных центров и больших корпораций, которые нуждаются в хранении огромных объемов данных в течение десятилетий. В отличие от жестких дисков и SSD, подверженных износу и со временем просто выходящих из строя, накопители на базе квантовых эффектов более стабильны и пригодны для долгосрочного хранения информации.

Применение в реальных условиях: архивация и хранение данных

Новая технология, разработанная учеными, выглядит многообещающе, но остается много нерешенных вопросов. Еще предстоит определить, насколько долго квантовые дефекты могут сохранять данные в стабильном состоянии — этот момент ученые на презентации своей работы не осветили.

Но и здесь есть вопросы, ведь в исследовании нет деталей относительно конечной емкости таких дисков и возможности их многократной записи, аналогично современным перезаписываемым CD-RW и DVD-RW. Скорее всего, новая технология потребует специальных устройств для записи и считывания. Как они будут работать и какая у них цена хотя бы приблизительно, неизвестно.

Все это может повлиять на привлекательность нового метода для корпораций. Если технология и пойдет в ход, то для хранения «холодных» данных. Сложно себе представить массивы приводов для сверхъемких лазерных дисков, используемых для работы с «горячей» информацией в дата-центрах корпораций. И конечно, это не бытовая технология, в домашних условиях вероятность ее использования стремится к нулю.

Перспективы новой работы ученых могут показаться далекими, но понимание принципов работы квантовых дефектов стало важным шагом на пути к дальнейшему прогрессу в области хранения данных. Ну а случится революция или нет, покажет только время.

В целом, тут есть что обсудить, так что если есть желание, расскажите о своем мнении в комментариях.