Неизбежно большие звезды в конце своей жизни разрушаются под действием гигантской силы тяжести, превращаясь в черные дыры. Можно лукаво спросить, есть ли способ отсрочить этот процесс; отложить смерть звезды. Изучая «терапию против старения» крупных звезд, исследователи Центра теоретической физики Вселенной Института фундаментальных наук (IBS) разработали идеальный материал, который мог бы хранить данные в течение исключительно длительного времени, чем нынешние короткие. живые устройства, дающие новые подсказки для будущих технологий квантовой памяти.Археологи смогли обнаружить и часто расшифровать послания, оставленные древними цивилизациями на глиняных табличках, камне или бумаге.
Эти образцы дожили до 21 века, но сохранятся ли наши цифровые сообщения в первозданном виде тысячи лет? Производство новой цифровой информации больше, чем когда-либо прежде, но у устройств на основе кремния есть срок годности: от 3 до 5 лет для жестких дисков и от 5 до 10 лет для устройств флэш-памяти, компакт-дисков и DVD.
К сожалению, все наши бесценные воспоминания, хранящиеся в виде цифровых фотографий, видео и оцифрованных документов, не будут доступны нашим потомкам, если, конечно, мы время от времени тщательно не копируем их на новые устройства. Преодоление этого ограничения — одна из самых больших проблем, с которыми сегодня сталкиваются ученые. «Мы все умираем, но мы хотим замедлить процесс старения, чтобы жить дольше, намного дольше, чем сейчас. То же самое касается наших цифровых данных, мы хотим продлить их существование», — объясняет Су-Чон Рей, директор группы «Поле, гравитация и струны» Центра теоретической физики Вселенной.Квантовый подход — лучший способ использовать многие грани наноразмерного мира.
Это позволяет нам использовать квантовое свойство «квантовой запутанности», благодаря которому когерентные структуры могут формироваться на этих малых масштабах. Фундаментальный квантовый принцип был предложен Рольфом Ландауэром еще в 1961 году. Он обнаружил, что тепло и информация тесно связаны.
При обработке данных выделяется тепло, и по этой причине информация ухудшается и не может храниться вечно. Теперь, благодаря цифровой миниатюризации, мы доводим технологию до ее квантовых пределов.
Информация хранится в все меньших и меньших устройствах квантового масштаба, вопреки своей естественной тенденции к распространению и, следовательно, к выделению еще большего тепла.Излишне говорить, что упадок и разложение являются частью жизни, поскольку все сводится к передаче энергии. Это то же явление, при котором горячий кофе достигает комнатной температуры при контакте с прохладной кружкой и воздухом. Энергия передается от кофе к кружке и, в конечном итоге, к воздуху.
Энергия имеет тенденцию рассеиваться, если она не защищена и не ограничена. Этот процесс обмена, который снижает температуру кофе, в конечном итоге связан с квантовым информационным процессом, который физики называют «скремблированием» в предельном квантовом масштабе. Как следует из этого слова, скремблирование включает в себя смешение энергии и информации, когда оригиналы не могут быть восстановлены, точно так же, как желток и белок не распознаются в яичнице-болтунье.
Чтобы кофе дольше оставался теплым, необходимо защитить его от любых других более холодных материалов или веществ. В случае запоминающих устройств, чтобы устройство работало дольше, электроны или атомы, несущие энергию или информацию квантовых единиц, не должны взаимодействовать с другими электронами и атомами и должны быть максимально изолированы.
Ограничение создается другими атомами, которые образуют барьер. Давным-давно Фил Андерсон доказал, что этот построенный из атомов барьер отлично работает, если наш мир был одномерным, например, линией. Представьте себе, что атомы выстроены в линию и в середине помещено препятствие, чтобы держать их подальше друг от друга. Однако, если они движутся по двухмерной плоской поверхности или трехмерному материалу, эта проблема, как известно, усложняется.
Хотя полупроводниковая промышленность специализируется на контроле над этими барьерами, атомы всегда могут найти пути, чтобы двигаться или прыгать и достигать своих соседей.Чтобы еще больше усложнить проблему, было обнаружено, что электроны движутся вместе как кластеры, которые называются сильно коррелированными системами или системами многих тел. Поэтому, хотя ученые хотят изолировать отдельные атомы и электроны и предотвратить их взаимодействие друг с другом, удержать бразды правления их кластером еще сложнее.Чтобы найти идеализированную систему, которая одновременно локализована и коррелирована, исследовательская группа IBS использовала экзотическую концепцию, называемую суперсимметрией. «В суперсимметрии каждая частица имеет партнера.
Например, каждый электрон соединяется с селектроном той же энергии и массы. Благодаря этим парам система может быть решена с помощью ручки и бумаги без необходимости компьютерного моделирования, нет независимо от того, сколько у вас частиц », — описывает Рей.
Используя математические принципы суперсимметрии, ученые концептуализировали идеальный материал с правильной структурной организацией, который мог бы хранить квантовые данные в течение исключительно долгого времени, «экспоненциально дольше, чем нынешние устройства памяти».Материал, который они представляют, имеет особую архитектуру уровней энергии для своих электронов. Уровни энергии можно представить себе как полы в отеле.
Однако форма отеля выглядит по-разному в зависимости от типа атома. Чем больше энергии у электрона, тем выше этаж он занимает.
Таким образом, электроны, участвующие в хранении данных, занимают верхние этажи. Используя эту аналогию, отель для кремния имеет форму, похожую на перевернутую пирамиду с комнатами на каждом этаже. Электроны с данными на верхнем этаже могут легко обмениваться своей энергией или данными с электронами на нижних этажах.
Таким образом, они меняют комнаты с другими электронами, передавая энергию или данные. При смене комнаты после смены комнаты произойдет скремблирование.Вместо этого отель, предложенный исследовательской группой Рей, быстро сужается по мере роста.
В этом отеле большая часть электронов находится на первом этаже, потому что на верхних этажах очень мало комнат. Поскольку наверху нет доступных комнат, электроны не могут взаимодействовать друг с другом, и они не могут меняться комнатами.
Таким образом, данные от электронов на верхних этажах не теряются с течением времени. В конце концов, процесс скремблирования произойдет, но это займет экспоненциальное время.
«Второй закон термодинамики гласит, что энтропия не может уменьшаться, но в нем не упоминается, сколько времени требуется, чтобы упорядоченное состояние стало хаотическим. Итак, название игры — долголетие; продлить его как можно дольше», — поясняет Рей. «В конце концов, конечно, отель рухнет, энтропия — главный победитель, это неизбежно, но мы хотим быть уверены, что такая победа придет только через очень долгое время».
Хотя материала с такими уровнями энергии еще не существует, это новое понимание может помочь материаловедам и инженерам по запоминающим устройствам разработать превосходные запоминающие устройства, соответствующие этой концепции и которые могли бы заменить кремний.Возвращаясь к «антивозрастной терапии крупных звезд», точно так же, как теоретически возможно разработать материал для более длительного цифрового хранения, ученые задаются вопросом, можно ли указать точный критерий задержки распада крупных звезды. Другими словами, могли ли они задержать образование черных дыр?
Будущие исследования покажут …