مربع زجاجي صغير يمكنه تخزين مليوني كتاب من البيانات لمدة 10000 عام

استعرض علماء في شركة مايكروسوفت للأبحاث في الولايات المتحدة نظاما يسمى سيليكا لكتابة وقراءة المعلومات في قطع عادية من الزجاج، يمكنه تخزين ما يعادل مليوني كتاب من البيانات في مربع رفيع بحجم كف اليد.

في ورقة نشرت اليوم في طبيعةويقول الباحثون إن اختباراتهم تشير إلى أن البيانات ستكون قابلة للقراءة لأكثر من 10000 عام.

ما يمكن أن تفعله نبضات الضوء الصغيرة

النظام الجديد, تسمى السيليكايستخدم ومضات قصيرة للغاية من ضوء الليزر لتسجيل أجزاء من المعلومات في كتلة من الزجاج العادي.

تسمى هذه النبضات “فائقة القصر” لسبب ما. تدوم كل واحدة فقط كوادريليون جزء من الثانية (ويعرف أيضًا باسم الفيمتو ثانية أو 10^-15 ق).

لفهم ذلك: إن مقارنة عشرة فمتوثانية بدقيقة واحدة يشبه مقارنة دقيقة واحدة بعمر الكون بأكمله.

يمكن استخدام هذه الومضات القصيرة بشكل لا يصدق لتوليد رشقات ضوئية أقصر تدوم لأتوثانية (جزء من الألف من الفيمتو ثانية أو 10^-18 ق).

يمكن استخدام انفجارات الأتو ثانية هذه لمراقبة حركة الإلكترونات داخل الذرات والجزيئات – وفي عام 2023، جائزة نوبل في الفيزياء مُنحت للعمل الرائد في هذا المجال، لفيرينك كراوس (من قبيل الصدفة مشرف الدكتوراه السابق الخاص بي)، وآن لويلير، وبيير أغوستيني.

الكتابة على الزجاج

تتمتع نبضات ليزر الفيمتو ثانية أيضًا بتطبيق تكنولوجي عملي. ويمكن استخدامها لإجراء تغييرات عميقة داخل المواد الشفافة مثل الزجاج.

تنتج هذه الليزرات ضوءًا بطول موجي يمر عادةً عبر الزجاج دون تفاعل. ومع ذلك، عندما يتم تركيز نبضات فائقة القصر من هذا الضوء بإحكام على منطقة معينة، فإنها تنتج مجالًا كهربائيًا مكثفًا يغير البنية الجزيئية للزجاج في المنطقة البؤرية.

وهذا يعني أن حجمًا صغيرًا ثلاثي الأبعاد فقط، غالبًا ما يكون أقل من جزء من المليون من المتر لكل جانب، هو الذي يتأثر. وهذا ما يسمى “فوكسيل”، والذي يمكن صنعه في مواضع يتم التحكم فيها بدقة في الزجاج.

عقود من البحث

إن فكرة استخدام وحدات فوكسل مكتوبة بالليزر لتخزين البيانات ثلاثية الأبعاد ليست جديدة.

قام إريك مازور وزملاؤه في جامعة هارفارد بالولايات المتحدة بدراسة التخزين البصري الحجمي في التسعينيات. هُم عمل رائد أثبت أنه يمكن إدراج هياكل البيانات الدائمة في الزجاج العادي باستخدام ليزر الفيمتو ثانية.

في عام 2014، بيتر كازانسكي وزملاؤه في جامعة ساوثهامبتون في المملكة المتحدة ذكرت تخزين البيانات في زجاج الكوارتز المنصهر مع “عمر غير محدود على ما يبدو”. وقد ساعد ذلك في ترسيخ فكرة أجهزة الذاكرة الزجاجية فائقة الاستقرار.

في عام 2024، أنشأ كازانسكي شركة تسمى سفوتونيكس لتسويق ما يصفونه بـ “البنية النانوية الزجاجية خماسية الأبعاد”.

حتى أن رؤيتهم لـ “بلورة الذاكرة 5D” شقت طريقها إلى الثقافة الشعبية: ظهر جهاز مماثل في أحدث أفلام Mission Impossible، الحساب النهائي، تم تصويره على أنه قبو آمن قادر على احتواء ذكاء اصطناعي قوي ولكنه شرير.

نظام كامل

لا يدعي مشروع السيليكا أنه حقق اختراقًا علميًا جديدًا. وبدلاً من ذلك، يقدم الفريق أول عرض شامل لتكنولوجيا عملية وواقعية.

يجمع عملهم جميع العناصر الأساسية لمنصة التخزين هذه المعتمدة على ليزر الفيمتو ثانية والزجاج. ويشمل تشفير البيانات والكتابة والقراءة وفك التشفير وتصحيح الأخطاء.

يستكشف العمل استراتيجيات مختلفة للموثوقية وسرعة الكتابة وكفاءة الطاقة وكثافة البيانات، ويتضمن تقييمات منهجية لعمر البيانات.

نظرت سيليكا في نوعين رئيسيين من وحدات البكسل المكتوبة بالليزر.

الأول يتكون من ميزات صغيرة تشبه الفراغ ممدودة تم إنشاؤها بواسطة “الانفجارات الدقيقة” التي يتم تشغيلها بالليزر داخل الزجاج. وتسمح هذه بكثافة تخزين عالية للغاية تبلغ 1.59 جيجابت لكل ملليمتر مكعب.

النوع الثاني يتضمن إجراء تغييرات طفيفة في معامل الانكسار المحلي للزجاج. يمكن كتابة هذه البيانات بشكل أسرع، باستخدام طاقة أقل، لكن كل ملليمتر مكعب من الزجاج يمكن أن يحمل بيانات أقل.

يمكن لهذه الطريقة أن تكتب حوالي 65.9 ميغابت في الثانية، ويقول المؤلفون إنه يمكن زيادة هذا مع المزيد من أشعة الليزر.

أخيرًا، تشير تجارب الشيخوخة المتسارعة إلى أن البيانات المكتوبة، حتى في حالة وحدات فوكسل الطور الأكثر حساسية، يمكن أن تظل مستقرة لأكثر من 10000 عام. ويتجاوز هذا إلى حد كبير عمر وسائط تخزين الأرشيف التقليدية مثل الأشرطة المغناطيسية أو محركات الأقراص الثابتة.

المستقبل

عندما بدأت دراسة الدكتوراه في أواخر التسعينيات في جامعة فيينا للتكنولوجيا، كنا واحدًا من عدد قليل من المختبرات في جميع أنحاء العالم التي تتمتع بالخبرة اللازمة لبناء أجهزة ليزر قادرة على توليد نبضات الفمتوثانية.

واليوم، وبعد عقود من التطور التكنولوجي، أصبح من الممكن شراء أجهزة الليزر فائقة السرعة ذات الموثوقية والطاقة ومعدلات التكرار المطلوبة للاستخدام الصناعي.

متعلق ب: قام العلماء بتنمية أدمغة صغيرة، ثم قاموا بتدريبها على حل مشكلة هندسية

يعد تخزين البيانات الأرشيفية الكثيفة والسريعة والموفرة للطاقة أحد التطبيقات الواقعية المثيرة لهذه الليزرات. مع استمرار نضج الضوئيات فائقة السرعة، ليس لدي أدنى شك في أن المزيد من التطبيقات ستتبع. أوقات مثيرة في المستقبل.

أليكس فيورباخ، أستاذ بمركز أبحاث الضوئيات، جامعة ماكواري

أعيد نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المادة الأصلية.