CD se vrací v nové podobě: vědci hutní data tisíckrát více

Klasická CD jsou za zenitem, ale věda jim možná dá druhou šanci

Optická média dávno ztratila přízeň uživatelů, jenže vědci právě přišli na způsob, jak tento typ nosiče dat kompletně znovuzrodit.

Nejde o žádný kosmetický facelift staré technologie. Tým z Chicagské univerzity pracuje na zásadně odlišném způsobu ukládání informací do krystalů. Podle vědců by takový „superdisk" dokázal pojmout až tisíckrát více dat než dnešní optické disky.

Proč klasické CD a DVD narazily na svůj fyzikální strop

Standardní CD a DVD se dostaly na hranici toho, co jim fyzika světla vůbec dovoluje. Množství dat, která lze na kotouč zapsat, přímo závisí na vlnové délce laseru vypalujícího nebo čtoucího drobné „důlky" na povrchu nosiče. Čím kratší vlnová délka, tím menší mohou být jednotlivé prvky záznamu.

Průmysl se tuto hranici pokoušel posouvat po celá desetiletí — proto vznikl přechod z CD na DVD a poté na Blu-ray. Každý krok přinesl kratší vlnovou délku laseru a hustší uložení dat, jenže přínosy postupně slábly. V určitém momentě prostě nelze laser „zmenšovat" donekonečna.

Vědci z Chicaga proto zvolili zcela jiný přístup. Místo soupeření o nové barvy laserů navrhli změnu samotného nosiče i způsobu, jakým materiál na světlo reaguje.

Nový nosič: krystaly hořčíku a úzkopásmové emitory

Jádrem celé koncepce je krystal oxidu hořečnatého (MgO) a takzvané úzkopásmové emitory. Tyto emitory vznikají přidáním příměsí vzácných zemin do materiálu a produkují světlo s velmi přesně definovanou vlnovou délkou.

Nový systém pracuje s mimořádně malými, přesně naladěnými fotony, díky nimž lze informace uložit až tisíckrát hustěji než v současných optických mechanikách.

Klíčová myšlenka spočívá v propojení těchto emitorů s tzv. kvantovými defekty v krystalu. Defekty jsou drobné „vady" v jinak pravidelné struktuře materiálu — chybějící atom, cizí příměs nebo jiné narušení krystalické mřížky. Na atomové úrovni se tato místa chovají jako pasti pro elektrony a energii.

Emitory vysílají spektrálně velmi úzké fotony a kvantové defekty dokážou tuto energii pohltit a „uchovat". Vědci proto zkoumali, jak energie putuje mezi emitory a defekty na mikroskopické vzdálenosti. Právě tento přenos má být základem nového typu optického záznamu.

Co jsou kvantové defekty jednoduše vysvětlené

V dokonalém krystalu má každý atom své přesné místo. V praxi se však objevují mezery a cizí příměsi. Pro fyziky to ale není chyba — je to obrovská příležitost. V těchto místech vznikají kvantové stavy, které lze světlem vzbudit a následně přečíst, podobně jako buňku paměti.

• Bodový defekt — uzel mřížky, kde chybí atom nebo se nachází jiný prvek.
• Uvězněné elektrony — v takovém místě lze snadno „zachytit" elektron s určitou energií.
• Reakce na světlo — defekt může pohltit foton, změnit svůj stav a tuto energii při čtení opět uvolnit.

V nové koncepci by každý takový defekt mohl uchovávat konkrétní část informace, kódovanou prostřednictvím energie a barvy světla emitovaného sousedními emisními centry.

Tisíckrát vyšší hustota záznamu

Dnešní lasery v optických mechanikách pracují s fotony o vlnové délce přibližně 500 nanometrů až 1 mikrometr. Foton nového typu emitoru je v efektivní oblasti svého působení na materiál podstatně „menší".

Tým Chicagské univerzity odhaduje, že díky kvantovým defektům a úzkopásmovým emitorům lze vytvořit nosič s hustotou dat až tisíckrát vyšší, než nabízejí současné optické disky.

V praxi by to znamenalo, že kotouč podobných rozměrů jako klasické DVD nebo Blu-ray by dokázal pojmout:

Taková kapacita by stačila na uložení tisíců filmů ve vysokém rozlišení na jediný disk nebo obrovských tréninkových datových sad pro systémy umělé inteligence ve formě fyzického archivu.

Největší překážky: doba uchování dat a teplota

Přestože čísla působí ohromujícím dojmem, projekt se nachází ve velmi rané fázi. Výzkumný tým zatím prokázal, že energie může řízeně přecházet mezi emitory a defekty. Stále je ale třeba zodpovědět celou řadu konkrétních technologických otázek.

Jak dlouho si defekt „pamatuje" zapsaná data

Nejzásadnější otázka zní: jak dlouho dokáže kvantový defekt udržet energii, než se rozptýlí. Pro uživatele je zcela klíčové, zda nosič zachová data hodiny, dny, nebo roky. Pokud uložený stav v materiálu příliš rychle zaniká, využití pro archivaci dat se stává nereálným.

Vědci proto musí prozkoumat stabilitu těchto stavů za různých podmínek a najít způsob, jak dobu uchování informací co nejvíce prodloužit.

Problém teploty a dekoherence

Druhým zásadním tématem je teplota. Většina současných kvantových technologií — jako jsou kvantové počítače nebo pokročilé detektory — vyžaduje provoz blízko absolutní nuly. Jedině v tak extrémně chladném prostředí se jemné kvantové stavy nerozpadají příliš rychle vlivem kontaktu s okolím. Tento jev se nazývá dekoherence.

Cílem týmu je sestavit nosič, který bude fungovat za běžných pokojových podmínek — bez složité kryogeniky a náročného chlazení.

Pokud se podaří stabilizovat kvantové defekty při teplotě srovnatelné s tou v kanceláři nebo serverovně, otevře se cesta k reálným aplikacím. V opačném případě zůstane technologie zajímavou laboratorní kuriozitou.

Kde by takový „superdisk" dával největší smysl

Potenciálních uživatelů je celá řada, ale někteří by z nové technologie těžili nejvíce. Nový typ nosiče může kompletně přetvořit způsob, jakým přemýšlíme o archivaci obrovského množství dat.

• Datová centra — možnost uložit mnoho terabajtů na jediný disk snižuje potřebnou plochu pro archivy a omezuje náklady na energii.
• AI a velká data — modely strojového učení potřebují enormní datové sady, které musí být někde trvale uloženy.
• Filmový průmysl a streaming — studia by mohla archivovat celé videokatalogy v ještě vyšším rozlišení bez nutnosti udržovat tisíce pevných disků.
• Veřejné instituce — státní, zdravotnické a vědecké archivy ocení nosič kombinující vysokou kapacitu s odolností vůči plynutí času.

Pro běžného uživatele by takový nosič mohl na první pohled připomínat klasický optický disk, ačkoli mechanika a celý systém kódování dat by vypadaly zcela jinak než u CD nebo Blu-ray.

Proč kvantová fyzika tak dobře sedí na ukládání dat

Kvantová mechanika se často spojuje s exotickými laboratořními jevy, ale její přednosti dokonale odpovídají potřebám odvětví datových úložišť. Kvantové stavy lze velmi přesně řídit a jediný „nositel informace" může mít velikost jednoho atomu nebo skupiny několika atomů.

Pokud se vědcům podaří sériově vyrábět krystaly s řízenými defekty a příměsemi, otevře se možnost hustého záznamu v trojrozměrné struktuře materiálu — nikoli jen na povrchu, jako u tradičních disků.

Navíc tento typ paměti by se mohl propojit s dalšími kvantovými řešeními, například s fotonovými procesory nebo kvantovými sítěmi. Nosič by se tak stal součástí většího ekosystému, v němž data vznikají, zpracovávají se a putují do archivů bez nutnosti přepínat se na „klasické" formáty.

V jaké fázi se vývoj nového disku nachází

Popsaný systém zůstává výzkumnou konstrukcí popsanou na stránkách odborného vědeckého časopisu. Vědci provedli podrobné simulace a experimenty na úrovni materiálu, nikoli hotového spotřebitelského produktu.

Čeká je práce na škálování celé technologie: bude třeba prokázat, že lze vyrábět velké, homogenní krystaly s vhodně rozmístěnými defekty, vyvinout metodu hromadného zápisu a čtení a vytvořit řadiče schopné převádět složité kvantové stavy na běžné jedničky a nuly.

To vyžaduje spolupráci fyziků, materiálových inženýrů a specialistů na datová úložiště. Tato fáze obvykle trvá roky, ale právě na ní se rozhoduje, zda se laboratorní koncept za několik sezon dostane do serveroven a obchodů.

Co tato technologie může změnit pro běžného uživatele

Pro průměrného uživatele je nejzajímavější vyhlídka výrazně levnějšího, trvanlivějšího a kompaktnějšího archivu dat. I kdyby nová generace nosičů dlouho zůstala doménou serveroven a institucí, časem z ní těží i domácí uživatelé — alespoň nepřímo, prostřednictvím levnějších cloudových služeb, rychlejších streamingových platforem nebo nových forem distribuce obsahu.

Stojí za to připomenout, že ukládání dat představuje pro celé IT odvětví obrovskou energetickou zátěž. Nosič kombinující hustý zápis s vysokou trvanlivostí a nízkým odběrem energie během „klidného" uchovávání dat může reálně snížit uhlíkovou stopu digitální infrastruktury. Čím méně rotujících pevných disků, tím méně elektřiny spotřebované jen proto, aby data „ležela a čekala".

Pro mladší čtenáře, kteří znají disky převážně z memů a starých filmů, může být nová technologie překvapením: fyzický nosič opět začíná dávat smysl. Pokud výzkum dopadne úspěšně, kotouč velikosti dobře známého CD se za deset až patnáct let může stát jedním z nejvýkonnějších datových úložišť v historii elektroniky.