Есть конспект?
Пришлите нам!

Квантовый снимок сохранил данные в амплитуде вероятности


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). Квантовый снимок сохранил данные в амплитуде вероятности

26 января 2009

"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).

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

Распределение атомов 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 атомов 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. Атомы 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).

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).

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.

Dr.BoT© Konspektiruem.ru