Квантовый снимок сохранил данные в амплитуде вероятности

Один из примеров сканирующего туннельного микроскопа. На роль настольного накопителя он никак не подходит. Но главное – работоспособность удивительного принципа хранения данных доказана на практике. Остальное – детали (фото с сайта dansdata.com).

"Наши результаты бросают вызов некоторым основополагающим представлениям людей о конечном пределе хранения информации", — говорит один из авторов новой работы. Под пределом разумеется запись единицы информации в виде всего лишь одной материальной частицы, будь то атом, фотон или электрон. Разве можно пойти ещё глубже? Но вот физики построили систему, в которой десятки бит были закодированы в единственном электроне.

Этот впечатляющий опыт поставили специалисты из Стэнфордского университета (Stanford University). Для столь необычной записи они применили сканирующий туннельный микроскоп. Вспомним, этот аппарат не только обладает колоссальным разрешением, но и позволяет манипулировать отдельными атомами, передвигая их с места на место.

Не спешите разочарованно вздыхать — уже, мол, видели. Да, много лет назад учёные научились переставлять атомы на ровной подложке так, чтобы составлять из них буквы и простенькие рисунки. Но больше одного бита на одну частицу таким способом записать, мягко говоря, затруднительно.

Исходные буквы (иллюстрация Christopher R. Moon et.al./Nature Nanotech).

Даже если из этих атомов собирать «типографские значки», одна буква — это 16 бит, а сколько потребуется атомов, чтобы её узнаваемо отобразить? Если же просто кодировать атомами нули (скажем, пробел на подложке) и единицы (один выступающий атом), то и вовсе — соответствие 1 к 1 получается чёткое.

Нет, в новой системе всё не так прямолинейно.

Общая идея «записи на один электрон» напоминает принцип компьютерных голографических дисков, только начинающих свой взлёт в индустрии. Про них требуется сказать пару слов — легче будет разобраться в новом достижении.

Ранее какую бы систему хранения данных люди ни создавали, аналоговую или цифровую, один знак или один бит был представлен, как правило, одним объектом: нарисованная буква, пит на оптическим диске, порция заряда в чипе, намагниченный домен на жёстком диске и так далее. В голографической же записи классических битов или отпечатанных букв нет. Носитель содержит не банальный набор нулей и единиц, а картину интерференции волн, которая возникла при освещении целой армии исходных битов.

Вот и теперь исследователи решили, что желаемые данные нужно хранить не напрямую, а опосредованно.

Если в описанной выше технологии применяется по сути самая что ни на есть классическая голограмма (хотя в технике её записи и чтения нюансов — хоть отбавляй), хотя и несущая вместо портретов или натюрмортов «отпечаток» тысяч и тысяч бит, новый эксперимент Стэнфорда спустился по лестнице материи ещё глубже.

Физики заявили о создании квантовой голографии, в которой вместо света применяются квантово-механические свойства электронного газа на поверхности образца.

Распределение молекул монооксида углерода (фото Christopher R. Moon et.al./Nature Nanotech).

Итак, учёные решили сохранить в квантовой голограмме аббревиатуру университета (SU). При помощи туннельного микроскопа они особым образом распределили по поверхности медной подложки несколько молекул монооксида углерода. Причём не составляли из них буквы, а поступили хитрее.

Рисунок был подобран таким образом, чтобы S и U оказались скрыты как голограммы в распределении электронных волн в медной подложке.

Поскольку электроны — это и частицы и волны одновременно — они могут служить заменой лучам света обычной голографии. Молекулы же монооксида углерода здесь играют роль камушков в пруду, из-за них происходит интерференция электронов в меди. Так получается голографический снимок, но не обычный (на специальной фотопластинке), а квантовый, различимый лишь на субатомном уровне.

Далее следует учесть, что электроны относятся к фермионам. Потому в двумерном электронном газе не может быть двух частиц в одинаковом квантовом состоянии, или на одном энергетическом уровне. Это свойство физики использовали, чтобы без помех снимать данные с необычной голограммы.

При помощи всё того же туннельного микроскопа экспериментаторы измерили энергетическое состояние одной волновой функции (фактически — одного электрона), получив в виде рисунка свою искомую букву S. Настроив же микроскоп на фиксацию электрона с другим энергетическим уровнем, получили U. Обе квантовые голограммы были записаны на одном и том же участке подложки.

Снятая с подложки голограмма (фото Christopher R. Moon et.al./Nature Nanotech).

Упрощённо можно сказать, что изображение каждой такой буквы формировалось при помощи измерения вероятности нахождения частицы (то есть электрона из поверхностного слоя) в той или иной точке пространства. (Детали работы изложены в статье в Nature Nanotech.)

Разрешение съёмки микроскопом при этом составило 0,3 нанометра. А плотность записи информации новым методом достигает 20 бит на квадратный нанометр.

Велик соблазн экстраполировать такую плотность на какой-нибудь диск, который вместит сразу... Но стоп. Не забываем, что для записи и чтения всего пары буковок кудесникам из Стэнфорда потребовался сканирующий туннельный микроскоп, аппарат, который не на каждом столе поместится. Да и скорость создания голограммы и её чтения тут просто черепашья — игла прибора движется очень медленно.

Восстановленные буквы (иллюстрация Christopher R. Moon et.al./Nature Nanotech).

Так что до использования квантовой голографии в качестве практичного метода хранения больших массивов данных сейчас так же далеко, как от опытов физиков XIX века с гальваническими элементами, проводками и стрелками компаса до современных жёстких дисков.

Но не всё так безнадёжно. Необычная возможность произвольно управлять волновыми функциями частиц в двумерном электронном газе может пригодиться в создании квантовых чипов со множеством слоёв, связанных между собой посредством таких голограмм.

Если же прибавить к такому видению успехи в квантовой телепортации, на горизонте «нарисуется» техника, все возможности которой нам только предстоит оценить.



Физики впервые телепортировали атом на метр

23 января 2009

Невидимый зазор кидает фотоны на передовую энергетики

22 января 2009

Впервые на практике показан эффект квантовой плавучести

13 января 2009

Американцы построили самый маленький топливный элемент

11 января 2009

Синтетический опал мгновенно меняет цвет по желанию

24 декабря 2008