Pięciowymiarowa technika optycznego zapisu danych. Światło wiecznotrwałej pamięci
Za obietnicami tymi kryje się niedawne osiągnięcie naukowców z uniwersytetu w Southampton, którzy opracowali szybką i energooszczędną metodę laserowego zapisu prowadzącego do wytworzenia w szkle krzemionkowym nanostruktur o dużej gęstości. Zespół brytyjski pracuje nad nią od 2013 roku. Wtedy tamtejsi naukowcy po raz pierwszy przeprowadzili jej demonstrację, wykorzystując nowy format do zapisu i pobrania pliku tekstowego o rozmiarach trzystu kilobajtów.
Oczywiście ambicje badaczy od początku były znacznie większe. Naukowcy sugerują, że ich pamięć 5D może być ostatecznie wykorzystana do długoterminowego, trwałego i bezpiecznego zapisu i przechowywania danych dla potrzeb chociażby archiwów narodowych, muzeów, bibliotek lub organizacji prywatnych.
Wymiary przestrzenne i świetlne
Technika ta nie jest wcale aż taką nowością. Optyczne przechowywanie danych 5D (czasami nazywane barwnie "kryształem pamięci Supermana") to metoda badana od lat również przez firmy Hitachi i Microsoft. Zapisywanie w szkle kwarcowym danych za pomocą lasera femtosekundowego zostało po raz pierwszy zaproponowane i zademonstrowane w 1996 roku. Technika została po raz pierwszy zademonstrowana w 2010 roku przez laboratorium Kazuyuki Hirao na uniwersytecie w Kioto. Kolejna jej wersja została opracowana przez grupę badawczą Petera Kazansky’ego z Centrum Optoelektroniki właśnie uniwersytetu w Southampton. Najnowsze osiągnięcia badaczy z tej uczelni to najnowsza generacja prototypowej wciąż techniki.
Być może najbardziej intrygującym elementem nowej techniki jest owe pięć wymiarów. Na czym to polega? Naukowcy tłumaczą, że w ich rozwiązaniu wykorzystane są dwa wymiary optyczne (co należy rozumieć jako dwie polaryzacje) plus trzy wymiary przestrzenne. Jak łatwo się zorientować, owa "pięciowymiarowość" jest tu czymś umownym, a nie ściśle naukowym. Tak czy inaczej, nowe podejście umożliwia zapis z prędkością miliona wokseli, które są najmniejszymi elementami przestrzennymi w grafice trójwymiarowej, w pewnym sensie odpowiednikami pikseli w grafice dwuwymiarowej, na sekundę, co odpowiada zapisowi około 230 kilobajtów danych (ponad stu stron tekstu) na sekundę.
Nośnik pamięci składa się w tym rozwiązaniu ze stopionego kwarcu (1), w którym wymiary przestrzenne oraz intensywność, polaryzacja a także długość fali są wykorzystywane do modulowania danych. Można w tej technice wykorzystać plazmonowe właściwości nanocząstek złota lub srebra osadzonych w materiale.
Pięciowymiarowe dyski mają nadrukowane drobne wzory na trzech warstwach wewnątrz dysków. W zależności od kąta, pod jakim się na nie patrzy, wzory te mogą wyglądać zupełnie inaczej. Czyli owe pięć wymiarów wewnątrz dysków oznacza rozmiary i orientacje w stosunku do trójwymiarowego położenia nanostruktur. Jeden dysk ma kilka różnych obrazów w zależności od kąta, pod jakim się na niego patrzy, oraz od powiększenia mikroskopu użytego do oglądania. Każdy dysk ma wiele warstw obrazów poziomu mikro i makro. Można je odczytać za pomocą kombinacji mikroskopu optycznego i polaryzatora.
Laser jeszcze szybszy
We wcześniejszych prototypach i rozwiązaniach wyzwaniem dla efektywności działania tej techniki było szybkie zapisywanie danych z wykorzystaniem dużej gęstości energii. Aby pokonać tę przeszkodę, brytyjski zespół wykorzystał laser femtosekundowy o wysokiej częstotliwości powtarzania (2), aby wytworzyć drobne rowki zawierające pojedynczą strukturę podobną do nanolameli o wymiarach 500 na 50 nanometrów każdy.
Zamiast używać lasera femtosekundowego do pisania bezpośrednio w szkle, badacze wykorzystali zjawisko optyczne, znane jako wzmocnienie pola bliskiego, co pozwoliło na tworzenie nanostruktur przy minimalnym oddziaływaniu termicznym. Użyli tej metody do zapisania pięciu gigabajtów danych tekstowych na szklanym dysku krzemionkowym o wielkości konwencjonalnej płyty kompaktowej z prawie stuprocentową dokładnością odczytu.
Zgodnie z opisem w czasopiśmie "Journal of Optica", każdy woksel zawierał cztery bity informacji, a każde dwa woksele odpowiadają jednemu znakowi tekstowemu. Przy takiej gęstości zapisu, jaką zapewnia ta metoda, na szklanym dysku można by zapisać pięćset terabajtów danych. W przyszłości naukowcy chcą jeszcze bardziej zwiększyć prędkość zapisu, by technologia ta mogła znaleźć zastosowanie komercyjne. Aby metoda ta miała sens praktyczny, konieczne będzie również opracowanie szybszych metod odczytu. Jednak z punktu widzenia przechowywania danych, zasobów archiwalnych, nowa technologia jest fascynująca.
Od 2018 roku ten rodzaj techniki zapisu danych jest wykorzystywany w praktyce przez Fundację Arch Mission. Pierwsze egzemplarze dysków z zapisanymi danymi zostały przekazane Elonowi Muskowi. Jeden z nich znajduje się w jego osobistej bibliotece, a drugi, z zapisaną na nim całą trylogią Isaaca Asimova "Fundacja" (3), został umieszczony na pokładzie Tesli Roadster, która krąży obecnie gdzieś za orbitą Marsa w przestrzeni kosmicznej.
Do swoich repozytoriów publicznych zamierza tę technikę wykorzystać znany dobrze programistom i deweloperom serwis GitHub. Microsoft, który jest zresztą właścicielem GitHuba, określa tę technologię jako Project Silica o deklarowanej trwałości ponad 10 tysięcy lat.
Mirosław Usidus
