Квантовый снимок сохранил данные в амплитуде вероятности
Отечественные результаты бросают вызов некоторым основополагающим представлениям людей о конечном пределе хранения информации, — говорит один из авторов новой работы. Под пределом очевидно запись единицы информации в виде всего лишь одной материальной частицы, будь то атом, фотон либо электрон.
Разве возможно пойти ещё глубже? Но вот физики выстроили совокупность, в которой десятки бит были закодированы в единственном электроне.
Данный впечатляющий опыт поставили эксперты из Стэнфордского университета (Stanford University). Для столь необыкновенной записи они применили сканирующий туннельный микроскоп.
Отыщем в памяти, данный аппарат не только владеет большим разрешением, но и разрешает манипулировать отдельными атомами, передвигая их с места на место.
Не торопитесь разочарованно вздыхать — уже, дескать, видели. Да, много лет назад учёные обучились переставлять атомы на ровной подложке так, дабы составлять из них буквы и простенькие картинки.
Но больше одного бита на одну частицу таким методом записать, мягко говоря, затруднительно.
Исходные буквы (иллюстрация Christopher R. Moon et.al./Nature Nanotech).
Кроме того в случае если из этих атомов собирать «типографские значки», одна буква — это 16 бит, а какое количество потребуется атомов, дабы её узнаваемо отобразить? В случае если же атомами нули (скажем, пробел на подложке) и единицы (один выступающий атом), то и вовсе — соответствие 1 к 1 получается чёткое.
Нет, в новой совокупности всё не так прямолинейно.
Неспециализированная мысль «записи на один электрон» напоминает принцип компьютерных голографических дисков, лишь начинающих собственный взлёт в индустрии. Про них требуется сообщить несколько слов — легче будет разобраться в новом достижении.
Ранее какую бы совокупность хранения данных люди ни создавали, аналоговую либо цифровую, один символ либо один бит был представлен, в большинстве случаев, одним объектом: нарисованная буква, пит на оптическим диске, порция заряда в чипе, намагниченный домен на твёрдом диске и без того потом. В голографической же записи хороших битов либо отпечатанных букв нет.
Носитель содержит не очевидный комплект единиц и нулей, а картину интерференции волн, которая появилась при освещении целой армии исходных битов.
Вот и сейчас исследователи сделали вывод, что желаемые эти необходимо хранить не напрямую, а опосредованно.
В случае если в обрисованной выше технологии используется по сути действительно хорошая голограмма (не смотря на то, что в технике её чтения и записи нюансов — куры не клюют), не смотря на то, что и несущая вместо портретов либо натюрмортов «отпечаток» тысяч и тысяч бит, новый опыт Стэнфорда спустился по лестнице материи ещё глубже.
Физики заявили о создании квантовой голографии, в которой вместо света используются квантово-механические особенности электронного газа на поверхности примера.
Распределение молекул монооксида углерода (фото Christopher R. Moon et.al./Nature Nanotech).
Итак, учёные решили сохранить в квантовой голограмме сокращение университета (SU). При помощи туннельного микроскопа они особенным образом распределили по поверхности бронзовой подложки пара молекул монооксида углерода.
Причём не составляли из них буквы, а поступили умнее.
Рисунок был подобран так, дабы S и U были скрыты как голограммы в распределении электронных волн в бронзовой подложке.
Потому, что электроны — это и волны и частицы в один момент — они могут служить заменой лучам света простой голографии. Молекулы же монооксида углерода тут играют роль камушков в пруду, из-за них происходит интерференция электронов в меди.
Так получается голографический снимок, но не простой (на особой фотопластинке), а квантовый, различимый только на субатомном уровне.
Потом направляться учесть, что электроны относятся к фермионам. Потому в двумерном электронном газе не может быть двух частиц в однообразном квантовом состоянии, либо на одном энергетическом уровне.
Это свойство физики применяли, дабы без помех снимать эти с необыкновенной голограммы.
При помощи всё того же туннельного микроскопа экспериментаторы измерили энергетическое состояние одной волновой функции (практически — одного электрона), взяв в виде рисунка собственную искомую букву S. Настроив же микроскоп на фиксацию электрона с другим энергетическим уровнем, взяли 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 возможно заявить, что изображение каждой таковой буквы формировалось при помощи измерения возможности нахождения частицы (другими словами электрона из поверхностного слоя) в той либо другой точке пространства. (Подробности работы изложены в статье в Nature Nanotech.)
Разрешение съёмки микроскопом наряду с этим составило 0,3 нанометра. А плотность записи информации новым способом достигает 20 бит на квадратный кожный покров.
Велик соблазн экстраполировать такую плотность на какой-нибудь диск, что вместит сходу… Но стоп.
Не забываем, что для чтения и записи всего пары буковок кудесникам из Стэнфорда потребовался сканирующий туннельный микроскоп, аппарат, что не на каждом столе поместится. Да и скорость создания голограммы и её чтения тут легко черепашья — игла прибора движется весьма медлительно.
Восстановленные буквы (иллюстрация Christopher R. Moon et.al./Nature Nanotech).
Так что до применения квантовой голографии в качестве практичного способа хранения громадных массивов данных на данный момент так же на большом растоянии, как от опытов физиков XIX века с гальваническими элементами, стрелками и проводками компаса до современных твёрдых дисков.
Но не всё так безнадёжно. Необыкновенная возможность произвольно руководить волновыми функциями частиц в двумерном электронном газе может понадобиться в создании квантовых чипов со множеством слоёв, связанных между собой при помощи таких голограмм.
В случае если же прибавить к такому видению удачи в квантовой телепортации, на горизонте «нарисуется» техника, все возможности которой нам лишь предстоит оценить.
