- Čínští vědci překonali světový rekord v uchovávání světelnou informaci díky karbidu křemíku
- Nová technologie umožňuje uchovávat světelnou informace déle než hodinu
- Unikátní technologie slibuje výrazný pokrok v kvantových výpočtech
Vědci z Beijing Academy of Quantum Information Sciences (BAQIS) dosáhli významného úspěchu v oblasti kvantových technologií. Podařilo se jim uchovat světelnou informaci po dobu 4 035 sekund, což je více než hodina, a tím překonali dosavadní světový rekord. Tento objev otevírá nové možnosti pro kvantové výpočty a zpracování informací.
Jak lze uchovat světelnou informaci?
Uchování světelné informace je jedním z největších technických problémů, protože fotony, částice světla se pohybují extrémní rychlostí až 300 000 km/s, což znemožňuje jejich přímé zachycení a dlouhodobé uchování. Místo snahy tyto rychlé částice fyzicky zadržet, vědci zvolili jiný přístup. Převedli vlastnosti světla, jako jsou frekvence či amplituda, na mnohem pomalejší zvukové vlny.
Ty se šíří výrazně nižší rychlostí (například 343 m/s ve vzduchu) a v pevných materiálech, jako je karbid křemíku, je lze snadno kontrolovat, měřit a bezpečně uchovávat. Tento elegantní převod umožňuje uchovat informaci, kterou původně nesly fotony v podobě zvukových vln i bez nutnosti zachycovat samotné fotony.
Tento princip lze přirovnat k situaci, kdy rychle letící koule narazí na tenký film, kinetická energie koule se přemění na vibrace v materiálu, které lze následně měřit a uchovávat. Podobným způsobem vědci pracovali se světelnými signály. Amplituda, frekvence a další vlastnosti světla byly transformovány do podoby zvukových vln, které bylo možné bezpečně uložit do pevného materiálu. V materiálu, jako je karbid křemíku, lze tyto vibrace „uložit“ – zachovají se tam podobně, jako se dříve nahrával zvuk na magnetickou pásku.
Nejedná se ale o klasický zvuk, jaký známe z poslechu, ale o mechanické vlnění, které odpovídá optické informaci. Když chceme tuto informaci opět získat, vibrace se převedou zpět na světlo, tedy původní data jsou znovu dostupná ve své optické formě. Tento proces umožňuje uchovat světelnou informaci po mnohem delší dobu, než kdybychom pracovali přímo s fotony, a otevírá nové možnosti pro rychlé a stabilní ukládání dat v budoucích technologiích.
Karbid křemíku materiálem budoucnosti?
Klíčovou součástí tohoto průlomového objevu je využití jednokrystalové vrstvy karbidu křemíku (SiC), která hraje zásadní roli při uchování světelné informace. Tento materiál se ukázal jako mimořádně vhodný pro tuto aplikaci díky unikátní kombinaci fyzikálních vlastností, které zajišťují efektivní přenos a dlouhodobé udržení informací převedených ze světelných signálů.
Jednou z výhod karbidu křemíku je jeho vysoká tepelná vodivost, což znamená, že dokáže efektivně odvádět teplo vznikající během procesu konverze světla na zvukové vlny. Tento faktor je zásadní, protože nežádoucí teplotní změny by mohly narušit stabilitu uložené informace a snížit efektivitu celého procesu. Díky schopnosti udržovat teplotní stabilitu SiC zabraňuje degradaci uložených signálů, což umožňuje rekordně dlouhou dobu uchování dat.
Dalším významným faktorem je mechanická stabilita tohoto materiálu. Karbid křemíku patří mezi nejtvrdší známé polovodičové materiály, což znamená, že je vysoce odolný proti mechanickým deformacím a vnějším vlivům. Karbid křemíku také nabízí výborné akustické vlastnosti, které jsou v tomto procesu klíčové.
Schopnost materiálu efektivně přenášet a uchovávat zvukové vlny umožňuje vědcům zachytit světelné signály v jejich převedené podobě a uchovat je po mnohem delší dobu, než bylo dříve možné. To je výrazný posun oproti předchozím materiálům, jako je kovový hliník nebo nitrid křemíku, které sice umožňovaly určitou míru uchování informací, ale neposkytovaly dostatečně stabilní a dlouhodobé řešení.
Co přináší tato technologie a proč bude tolik důležitá?
Schopnost uchovávat světelné informace po rekordně dlouhou dobu přináší zásadní změny v oblasti výpočetní techniky, telekomunikací a kvantových technologií. Současné metody ukládání dat jsou založené převážně na elektrických a magnetických principech, například v pevných discích, SSD nebo optických médiích. Tyto technologie však mají své limity, které nový přístup překonává.
Jednou z hlavních výhod této technologie je delší životnost a stabilita informací. Tradiční paměťová média podléhají degradaci – pevné disky mají mechanické součástky, které se časem opotřebovávají, a SSD disky zase trpí omezeným počtem přepisovacích cyklů. Uchování informace v karbidu křemíku je mnohem stabilnější, protože se nejedná o aktivní elektrický obvod, který by se mohl časem poškodit nebo degradovat. To znamená, že data by mohla být uložena prakticky neomezeně dlouho bez rizika ztráty integrity.
Další zásadní výhodou je vyšší rychlost a efektivita. Běžné paměťové čipy a pevné disky využívají elektrické signály, zatímco nová metoda pracuje s uchováním optických informací v podobě zvukových vln. Tento přístup eliminuje potřebu převodu mezi optickými a elektrickými signály, což je běžná praxe v dnešních komunikačních sítích a datových úložištích. Výsledkem je rychlejší zpracování dat, nižší energetická náročnost a větší efektivita při přenosu informací.
Tato technologie také přináší významný pokrok v rámci segmentu kvantových počítačů. Kvantové výpočty vyžadují extrémně stabilní paměťové systémy, protože kvantové bity (qubity) jsou velmi náchylné k dekoherenci – ztrátě kvantového stavu. Uchování světelných informací pomocí karbidu křemíku by mohlo zvýšit stabilitu kvantových pamětí a umožnit delší dobu pro výpočty, což je klíčový krok ke skutečně funkčním kvantovým počítačům.
Josef Novák
Další dnešní články
