Đột phá mới trong công nghệ lưu trữ lượng tử: Lưu trữ 5.000 bộ phim 4K trên một tinh thể nhỏ hơn đầu ngón tay?

Công nghệ này sử dụng tia laser chiếu vào tinh thể, cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các electron và giữ chúng ở các vị trí cụ thể trong vật liệu. Trong tương lai, nếu được phát triển và hoàn thiện, thiết bị này có khả năng lưu trữ dữ liệu với dung lượng lên đến hàng petabyte.

Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp lưu trữ dữ liệu đột phá, dựa trên nguyên lý lượng tử, cho phép lưu trữ hàng trăm terabyte thông tin trên một tinh thể siêu nhỏ chỉ vài milimet. Trong tương lai, nếu công nghệ này được mở rộng, việc tạo ra các thiết bị lưu trữ với dung lượng petabyte (tương đương khoảng 5.000 bộ phim 4K) sẽ trở thành hiện thực.

Ý tưởng mã hóa dữ liệu thành hai giá trị cơ bản 0 và 1 đã xuất hiện từ những ngày đầu của ngành máy tính. Qua nhiều thập kỷ, các thiết bị lưu trữ đã thay đổi từ bóng đèn chân không, transistor điện tử siêu nhỏ, đến những chiếc đĩa CD với các hốc nhỏ đại diện cho số 1 và bề mặt trơn nhẵn đại diện cho số 0.

Tuy nhiên, khi nhu cầu lưu trữ dữ liệu ngày càng tăng, các nhà khoa học đã hướng đến thế giới nguyên tử để tìm kiếm các công nghệ mới hiệu quả hơn. Theo một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nanophotonics vào ngày 14 tháng 2, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một electron bị "mắc kẹt" trong khuyết tật của tinh thể để biểu thị giá trị 1, trong khi việc không có electron mắc kẹt tương ứng với giá trị 0.

Tiến sĩ Leonardo França, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ tại Đại học Chicago, cho biết công trình này lấy cảm hứng từ kỹ thuật lượng tử nhưng vẫn xây dựng bộ nhớ theo hướng tính toán cổ điển. Cụ thể, họ kết hợp vật lý trạng thái rắn từng được sử dụng trong đo lường bức xạ với các kỹ thuật từ nhóm nghiên cứu chuyên về lưu trữ lượng tử.

Công nghệ này hoạt động bằng cách sử dụng tia laser chiếu vào tinh thể, cung cấp đủ năng lượng để giải phóng một electron từ ion đất hiếm. Electron này sau đó sẽ bị "bẫy" tại một vị trí khuyết tật gần đó trong tinh thể—tương tự như một "hố" trên đĩa CD. Khi cần đọc dữ liệu, một nguồn ánh sáng khác được sử dụng để kích thích electron thoát khỏi vị trí đó. Quá trình này khiến electron tái kết hợp với ion đất hiếm ban đầu và phát ra ánh sáng, cho phép đọc thông tin.

Nếu dữ liệu được đọc bằng ánh sáng cường độ cao, nó sẽ bị xóa sau mỗi lần đọc. Tuy nhiên, nếu sử dụng ánh sáng yếu hơn, dữ liệu sẽ không bị mất ngay mà chỉ dần phai mờ theo thời gian, tương tự như dữ liệu trên băng từ sẽ mờ dần sau vài thập kỷ.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã sử dụng tinh thể oxit yttri pha tạp nguyên tố đất hiếm praseodymium. Tuy nhiên, công nghệ này có thể áp dụng cho các loại tinh thể khác không chứa đất hiếm, miễn là chúng có các khuyết tật cần thiết. Ưu điểm của nguyên tố đất hiếm là chúng có bước sóng đặc trưng, dễ dàng kích hoạt electron bằng các laser phổ biến.

Ban đầu, mục tiêu của nhóm nghiên cứu là điều khiển từng nguyên tử riêng lẻ. Dù chưa đạt được điều này, tiến sĩ França tin rằng phương pháp mới đã đặt nền móng quan trọng để tiến xa hơn trong tương lai.

Điểm hấp dẫn của công nghệ này là khả năng mở rộng quy mô dễ dàng, tạo ra các định dạng lưu trữ mật độ cao, chi phí thấp và ứng dụng rộng rãi. Công nghệ laser dùng để đọc và ghi dữ liệu hiện đã phổ biến và rẻ. Việc sản xuất tinh thể cũng không đắt. Thách thức lớn nhất là chi phí nguyên tố đất hiếm và tạo khuyết tật trên tinh thể ở quy mô công nghiệp.

Tiến sĩ França ước tính rằng, trong tinh thể thử nghiệm có thể tích khoảng 40 mm³, nhóm nghiên cứu đã lưu trữ được khoảng 260 terabyte dữ liệu. Nếu tăng mật độ khuyết tật trên tinh thể, hoàn toàn có thể tạo ra các thiết bị lưu trữ siêu nhỏ chứa hàng petabyte thông tin.

Nếu vượt qua được các thách thức này, trong tương lai gần, một chiếc đĩa tinh thể nhỏ bé có thể lưu trữ cả một thư viện dữ liệu khổng lồ, thay đổi hoàn toàn cách chúng ta lưu trữ và sử dụng thông tin.