Отпечатайте энциклопедию на… молекуле

Казанские учёные открыли новый принцип записи и хранения оптической информации, который может стать ключом к решению одной из самых масштабных задач нашего времени.

РОБОТЫ НЕ ЗА ГОРАМИ

Мы находимся в научно-исследовательской лаборатории нанооптики Казанского федерального университета. Её руководитель Сергей Харинцев рисует на доске графики, пытаясь донести до меня суть открытия, способного если не изменить, то значительно упростить жизнь человечества в эру интернета вещей и искусственного интеллекта.

– Буквально через три-пять лет ваш холодильник, тостер, кофеварка и даже кухонная стена будут интерактивными, – продолжает учёный. – Да что холодильник! – Одежда станет таковой. Настолько стремительно сегодня развивается интернет вещей.

В будущем, описываемом доцентом КФУ, информация станет окружать нас повсюду. Бурное развитие мобильных приложений, социальных сетей, облачных сервисов, искусственного интеллекта всячески этому способствует. В скором времени каждая неодушевлённая вещь будет погружена в Сеть и, как субъект некой всемирной матрицы, станет порождать невероятное количество информации. Вопрос хранения последней, скорее всего, будет одной из самых насущных проблем новой эпохи. Впрочем, это время уже наступило…

ИДЕЯ НА МИЛЛИОН

«Российские оптические диски будут в миллион раз более ёмкими!» Накануне Нового года подобными заголовками пестрели страницы многих авторитетных СМИ. Ссылаясь на статью, опубликованную в научном рецензированном журнале Nanoscale, они сообщали о «новом способе записи оптической информации, который в перспективе позволит уместить на один диск в миллион раз больше данных». Впрочем, сами авторы открытия не торопятся наделять своё детище громкими эпитетами или предрекать ему великое будущее.

– Говорить, что эта идея революционная, неправильно, – объясняет свою позицию Харинцев. – Она уже была озвучена японским учёным Сатоши Кавата. Наша заслуга в том, что мы смогли реализовать её, используя другой подход, основанный на эффекте гигантского комбинационного рассеяния света.

Сегодня виртуальная информация содержится в специальных хранилищах дата-центров, в реальности представляющих собой огромные здания. Пока счёт идёт на эксабайты (1018). Чтобы оценить этот объём, можно привести простой пример. Грузовики с 13-метровыми контейнерами, вмещающими до 100 петабайт (1015) данных, способны транспортировать информацию объёмом 1эксабайт «всего» за полгода. И этот способ выглядит даже очень привлекательным, поскольку, если выгружать эти данные в «облако» по сети, потребуется около 26 лет, даже при скорости 10 гигабит в секунду.

– Объём информации растёт по экспоненте, – рассказывает Сергей Харинцев. – Мы уже подошли к порогу, исчисляемому в зетабайтах (1 Зб = 1021). С точки зрения всемирной сети, это уже не так много. Их запись и хранение представляет собой одну из самых масштабных задач современности. Поэтому, если не мы, так кто-то другой!

Чтобы увеличить плотность записи оптической информации, необходимо постоянно уменьшать размер пространства, где эта информация сохраняется. Вплоть до использования в качестве элементарных ячеек памяти отдельных молекул. Как это сделать? Казанские учёные нашли ответ на этот вопрос.

ДА БУДЕТ СВЕТ!

Под действием лазера молекулы могут следовать за оптическим полем, изменяя своё положение в пространстве. Заметили это физики КФУ далеко не первыми. Но если другие таким образом поворачивали одновременно миллионы молекул, то наши научились управлять пространственной ориентацией каждой из них в отдельности с помощью локализованного лазерного света.

– Одиночная молекула имеет размер всего в один нанометр, тогда как длина волны света – в пятьсот раз больше, – делает пометки на доске Харинцев. – Очевидно, что таким светом мы не можем управлять одной молекулой, потому что они – словно слон и мышка. Мы решили эту проблему, сжав свет до нескольких нанометров, и получили возможность манипулировать отдельными молекулами.

Таким образом учёным удалось выполнить основную часть масштабной задачи – повысить плотность записи информации. В миллион раз – с гигабайта до петабайта на один квадратный дюйм. Оптические диски с такой ёмкостью способны в будущем увеличить эффективность и производительность облачных сервисов и дата-центров. Более того, «смогут внести существенные изменения в структуру мирового рынка традиционных типов памяти». Впрочем, по словам самого Харинцева, работы в данном направлении предстоит ещё много. Одно – суметь сориентировать молекулу, другое – научиться сохранять её положение в течение длительного времени.

– Здесь необходимо исследовать, как поведёт себя это состояние под действием ультрафиолета, высоких температур, механических стрессов… Решив эти прикладные задачи, можно будет приступить к созданию прототипа ячейки памяти. На это может уйти от трёх до пяти лет.

СУДЬБА ОТКРЫТИЯ

Сегодня цепочка, соединяющая академические университеты (в которых рождаются идеи) с прикладными институтами (создающими на основе этих идей работающие технологии), в нашей стране практически утеряна. Многие открытия, так и не найдя своего применения, оседают в стенах лабораторий: рыночные законы спроса и предложения в науке срабатывают далеко не всегда – слишком велики риски. Коммерческий эффект от внедрения нового способа записи непредсказуем: решение может оказаться слишком дорогим или нетехнологичным.

– Мы в своей лаборатории бизнесом не занимаемся, – комментирует ситуацию Сергей Харинцев. – Мы создаём знания и передаём их. Поэтому главное для нас – открытие новых физических принципов, а уж будут ли производители средств хранения данных использовать их – время покажет.

Идеи, которые генерирует лаборатория нанооптики КФУ под руководством доцента Сергея Харинцева, связаны с управлением светом за пределом дифракции, то есть при его сильном сжатии. Делают это учёные с помощью специальных оптических наноантенн. Причём используют такой свет для решения других фундаментальных и прикладных задач, не связанных с памятью. Например, в таких «головоломках», как создание органических солнечных батарей или разработка наноразмерных источников света. Возможно, их решение станет ещё одним научным открытием, способным если не перевернуть, то точно улучшить жизнь человечества