פריצת דרך חדשה: איחסון מידע באטומים בודדים לנפחים שקשה לתאר

במעבדות Delft שבהולנד פותחה טכנולוגיית מהפכנית המאפשרת לשמור מידע באמצעות אטומים: ראיון מיוחד לאתר עם המדען הראשי של המיזם

לדברי מפרסמי המחקר ממרכז Kavli לננו-מדע באוניברסיטת TU Delft  שבהולנד, החברה המודרנית מייצרת יותר ממיליארד ג'יגה חדשים של מידע מדי יום. לצורך הדוגמא, יוטיוב פרסמה כי בכל דקה מועלים לשרתיה יותר מ-300 שעות של וידאו. על מנת לאחסן פיזית את כמויות המידע העצומות המיוצרות בקצב מסחרר יש צורך בחוות שרתים ענקיות וכמובן ביצירת גיבויים, שרק מכפילים ואף משלשים את נפח האחסון הנדרש. הצטברות המידע מחייבת מציאת פתרונות ממוזערים יותר ויותר. טכנולוגיית האחסון אכן הולכת ומתמזערת כל העת, ובעוד שלפני 10 שנים, דיסק קשיח פורץ דרך יכול היה להכיל מידע בנפח של טרה-בייט, לאחרונה דיווחנו כאן כי חברת Seagate השיקה דיסקים לשוק הביתי בנפח של פי עשרה מכך.

קבלו עדכונים לפני כולם בטלגרםקבלו מאיתנו עדכונים לפני כולם - בטלגרםהצטרפו כבר עכשיו לערוץ הטלגרם של הזון


כונן קשיח מ-1956
של משנת 1956 בנפח של 3.75 MB ובעלות של 50 אלף דולר. מקור: ArnoldReinhold

המדענים מאוניברסיטת Tu Delft השיגו פריצת דרך מדעית כשהצליחו למזער את נפח האחסון הפיזי לגודל הקטן ביותר האפשרי הידוע לנו היום. הם יצרו זיכרון של קילובייט אחד ובו כל ביט מייצג את מיקומו של אטום כלור בודד אחד. לדברי המדען המוביל בפרוייקט, סאנדר אוטה – ניתן באופן תיאורטי לאחסן את כל הספרים שנכתבו אי פעם  בתוך יחידת בגודל בול דואר יחיד. מדובר ביכולת של 500 טרה בייטים לאינץ' מרובע, פי 500 מהיכולות המסחריות הקיימות כיום.

האפשרות לאחסן מידע באטומים נחזתה עוד בשנת 1959 על ידי המדען זוכה פרס הנובל ריצ'ארד פיינמן, בהרצאתו "יש המון מקום בתחתית." כהוקרה על חזונו של פיינמן, כתב צוות המפתחים חלק מהרצאתו על ידי אטומים בשטח שרוחבו כ-100 ננו מטר. לצורך ההמחשה – רוחב שערת אדם הוא 100,000 ננו מטר. גודלו של חיידק מצוי הוא כ-1000 ננו מטר. טכנולוגיית האחסון פועלת על ידי סידור אטומים של כלור בדומה לתצורה הנראית בברקודים, אותם אנו סורקים באמצעות טלפונים חכמים (QR Codes) – וכאן מדובר בסדרי גודל קטנים במליוני מונים.

סריקת אטומים. מידע בנפח 1kB עם חלק מהרצאתו של פיימן מקודדת.
סריקת אטומים המסודרים בתצורת ברקוד. מידע בנפח 1kB עם חלק מהרצאתו של פיינמן מקודדת.

לדברי החוקר הראשי, ד"ר סאנדר אוטה (Dr. Sander Otte), בשלב זה פועלת הטכנולוגיה רק בתנאי מעבדה מבוקרים. הזיכרון מסוגל לפעול רק בסביבה נקייה של ואקום ובטמפרטורות נמוכות מאוד תוך באמצעות חנקן נוזלי – כך שנראה שאנו עדיין רחוקים מלראות אטומי בכוננים הקשיחים שלנו בזמן הקרוב. בכל זאת מדובר בהתקדמות טכנולוגית ענקית שתאפשר אולי בעתיד לאחסן כמויות עצומות של מידע, כמעט ללא מגבלות מקום במונחים של ימינו.


בראיון שערכתי עם ראש המחקר, ד"ר סאנדר אוטה, שאלתי אותו באשר לקצב הקריאה והכתיבה של הנתונים באחסון ברמה אטומית. אוטה השיב כי בשלב זה מדובר בתהליך איטי מאוד, מהסיבה הפשוטה שלא נעשתה כל אופטימיזציה בתחום, אך הוא אינו רואה מכשול טכני בדרך לקבל קצבי קריאה של עד 1 MB/s. באשר לכתיבה – בהנחה שראש הכתיבה ינוע במהירות מספקת (זמן גישה) – הכתיבה עצמה (שינוי ברמה אטומית) תיעשה באופן מיידי. החוקר ציין זמן של 20 פמטושניות שהן למעשה במספרים 20/1,000,000,000,000,000 שניות.

עוד ציין החוקר כי ראש הקריאה עובר על פני סמנים אטומיים המציינים לראש עצמו היכן מצויים יתר הנתונים. סמנים אלה אף מציינים כי איזור מסוים מזוהם ולכן אינו ניתן לכתיבה או לקריאה. במקרה זה יעבור ראש הקריאה למיקום אחר.

שאלתי את אוטה באשר להיתכנות הפיזיקלית לעבודה עם חומרים ברמת האטום. האם  רמה זו, הנוגעת כבר בתחום הפיזיקה הקוואנטית איננה יוצרת בעיות בלתי צפויות? כידוע – במכניקת הקוואנטים מתרחשות תופעות שאינן מוכרות בפיזיקה קלאסית, לדוגמא – חלקיק שמשנה את מיקומו כהרף עין ואף מופיע בו זמנית בשני מקומות שונים.

זו שאלה מצויינת, עונה אוטה, חלקיק אטום יכול לפעול בתצורה קלאסית וגם בתצורה קוואנטית. פעילות קוואנטית מתרחשת כאשר החלקיק מבודד מהעולם החיצוני, בעוד שבמצב בו החלקיק אינו מבודד ונמצא בסביבת חלקיקים אחרים הוא מאולץ להישאר במצב התואם יותר את הפיזיקה הקלאסית, כמו במקרה שלנו.

אוטה ביקש להוסיף בראיון כי לדעתו ההשלכות החשובות בפריצת הדרך הטכנולוגית אינן רק בתחום האחסון עצמו. תחום האחסון זכה לפרסום, מכיוון שרבים יותר יכולים להבין אותו מבחינה פרקטית. לדעתו החשיבות הגדולה יותר של הטכנולוגיה היא דווקא ביכולת שלנו לבנות מבנים מורכבים אטום אחרי אטום. אם עד היום החומרים שעמדו לרשותנו התבססו על המצוי בטבע, יצירת מבנים מורכבים ברמה אטומית תאפשר לנו לתכנן וליצור חומרים במבנה ובתצורה המדויקת שאליה נידרש לצרכים טכנולוגיים עתידיים.