Kan anti-aging forskning hjælpe fremtidige hukommelsesenheder?

Intet er for evigt, men er det muligt at bremse uundgåeligt henfald? En undersøgelse af forsinkelsen af ​​forringelse af kvantehukommelsesenheder og dannelse af sorte huller forklaret med intuitive analogier fra hverdagen

Uundgåeligt, store stjerner ved slutningen af ​​deres liv falder sammen under den gigantiske tyngdekraft, bliver til sorte huller. Vi kunne snedigt spørge, om der er en måde at forsinke denne proces; udsætte stjernens død. Mens han undersøgte "anti-aging terapi" af store stjerner, forskere ved Center for Theoretical Physics of the Universe, inden for Institute for Basic Science (IBS) konceptualiserede et ideelt materiale, der kunne gemme data i en usædvanligt længere tid end nuværende kortlivede enheder, bringe nye tip til fremtidige kvantehukommelsesteknologier.

Arkæologer har kunnet opdage, og ofte tyde, meddelelser efterladt af gamle civilisationer i lertavle, sten eller papir. Disse prøver kom ind i det 21. århundrede, men vil vores digitale meddelelser overleve i uberørt stand i tusinder af år? Produktionen af ​​nye digitale oplysninger er større end nogensinde før, men siliciumbaserede enheder har en udløbsdato:det er omkring 3 til 5 år for harddiske og 5 til 10 år for flashlagerenheder, Cd'er og dvd'er. Desværre, alle vores uvurderlige minder gemt som digitale fotos, videoer og digitaliserede dokumenter vil ikke være tilgængelige for vores efterkommere, medmindre vi naturligvis omhyggeligt kopierer dem til nye enheder fra tid til anden. At overvinde denne begrænsning er en af ​​de største udfordringer, forskere står over for i dag. "Vi dør alle sammen, men vi ønsker at bremse aldringsprocessen, så vi kan leve længere, meget længere end nu. Det samme gælder vores digitale data, vi ønsker at forlænge deres eksistens, "siger Soo-Jong Rey, direktør for feltet, Tyngdekraft, og Strings Group på Center for Universets teoretiske fysik.

At gå kvantum er den bedste måde at udnytte de mange facetter af nanoskalaverdenen på. Det lader os udnytte kvanteegenskaben ved "kvanteindvikling", hvorved der kan dannes sammenhængende strukturer på disse små skalaer. Det grundlæggende kvanteprincip blev rejst af Rolf Landauer tilbage i 1961. Han opdagede, at varme og information hænger tæt sammen. Behandling af data genererer varme og af denne grund, oplysninger forringes og kan ikke gemmes for evigt. Nu med digital miniaturisering, vi bringer teknologien til sine kvantegrænser. Oplysninger gemmes i mindre og mindre kvanteskalaenheder, mod dens naturlige tendens til at sprede sig, og genererer derfor endnu mere varme.

Det er overflødigt at sige, tilbagegang og forfald er en del af livet, da det hele bunder i energioverførsel. Det er det samme fænomen, der får en varm kaffe til at nå stuetemperatur, når den er i kontakt med et køligt krus og luft. Energi overføres fra kaffen til kruset og til sidst til luften. Energi har en tendens til at forsvinde, medmindre den er afskærmet og begrænset. Denne udvekslingsproces, der reducerer kaffens temperatur, er i sidste ende forbundet med en kvanteinformationsproces, som fysikere kalder "scrambling" i den ultimative kvanteskala. Som ordet antyder, scrambling involverer blanding af energi og information, hvor originalerne ikke kan hentes, på samme måde som æggeblommen og den hvide ikke kan genkendes i et røræg.

For at holde kaffen varm i længere tid, det ville være nødvendigt at afskærme det fra andre køligere materialer eller stoffer. For hukommelsesenheder, for at få enheden til at fungere længere, elektroner eller atomer, der bærer energi eller information om kvanteenheder, bør ikke interagere med andre elektroner og atomer og skal isoleres så meget som muligt. Indespærringen er skabt af andre atomer, der danner en barriere. For lang tid siden, Phil Anderson beviste, at denne atombyggede barriere fungerer perfekt, hvis vores verden var endimensionel, såsom en linje. Forestil dig at have atomer i en linje og sætte en forhindring i midten for at holde dem langt fra hinanden. Imidlertid, hvis de bevæger sig i et todimensionalt fladt land eller i et tredimensionelt materiale, dette problem er notorisk kompliceret. Selvom halvlederindustrien er specialiseret i at kontrollere disse barrierer, atomer kan altid finde stier til at bevæge sig rundt eller hoppe og nå deres naboer.

For at komplicere problemet endnu mere, det blev opdaget, at elektroner bevæger sig sammen som klynger, kaldes stærkt korrelerede systemer eller mangekroppssystemer. Så mens forskere ønsker at isolere enkeltatomer og elektroner og forhindre dem i at interagere med hinanden, at holde tøjlerne i en klynge af dem er endnu mere udfordrende.

For at finde et idealiseret system, der er lokaliseret og korreleret på samme tid, IBS -forskergruppen stolede på et eksotisk begreb kaldet supersymmetri. "I supersymmetri, hver partikel har en partner. For eksempel, hver elektron parrer med en selectron med samme energi og masse. På grund af disse parringer, systemet kan løses med pen og papir, uden behov for en computersimulering, uanset hvor mange partikler du har, "siger Rey.

Ved hjælp af de matematiske principper for supersymmetri, forskerne konceptualiserede et ideelt materiale med den rigtige strukturelle organisation, der kunne gemme kvantedata i usædvanligt lang tid, "eksponentielt længere end de nuværende hukommelsesenheder."

Det materiale, de forestiller sig, har en særlig arkitektur for energiniveauer for dets elektroner. Energiniveauer kan forestilles som gulvene på et hotel. Imidlertid, hotellets form ser forskelligt ud afhængigt af atomtypen. Jo mere energi elektronen har, den højere etage den indtager. Så elektroner involveret i datalagring ville indtage de øverste etager. Ved hjælp af denne analogi, hotellet til silicium har en form, der ligner en opadvendt pyramide med værelser til rådighed på hver etage. Elektroner med data på øverste etage kan let udveksle deres energi eller data med elektron på de nederste etager. På denne måde, de bytter rum med andre elektroner ved at overføre energi eller data. Bytte værelse efter værelse, scrambling vil forekomme.

Hotellet foreslået af Reys forskerhold, i stedet, aftager hurtigt, når det klatrer højere. På dette hotel, de fleste elektroner er på første sal, fordi meget få værelser er tilgængelige på de højere etager. Da der ikke er ledige værelser ovenpå, elektroner kan ikke interagere med hinanden, og de kan ikke bytte værelse. På denne måde, data fra elektronerne i de øverste etager går ikke tabt med tiden. Til sidst, krypteringsprocessen vil ske, men det ville tage en eksponentiel tid.

"Termodynamikkens anden lov siger, at entropien ikke kan falde, men det nævner ikke, hvor lang tid det tager for en ordnet stat at blive kaotisk. Så navnet på spillet er lang levetid; at forlænge det så meget som muligt, "præciserer Rey." Til sidst, selvfølgelig, hotellet vil kollapse, entropi er den ultimative vinder, det er uundgåeligt, men vi vil sikre os, at en sådan sejr først kommer efter meget lang tid. "

Selvom der ikke findes et materiale med sådanne energiniveauer endnu, denne nye forståelse kan guide materialeforskere og ingeniører i hukommelsesenheder om, hvordan man udvikler overlegne hukommelseslagerenheder, der passer til dette koncept, og som kan erstatte silicium.

Tilbage til "store stjerners anti-aging terapi", på samme måde som det er teoretisk muligt at designe et materiale til længere digital lagring, forskere spekulerer på, om det er muligt at pege på præcise kriterier for at forsinke store stjerners forfald. Med andre ord, kunne de forsinke dannelsen af ​​sorte huller? Fremtidig forskning vil vise.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Journal of High Energy Physics .