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.
www.membrana.ru
