Κβαντικά ολογράμματα αυξάνουν κατά πολύ την πυκνότητα  των πληροφοριών

Πηγή: Nature, 25 Μαρτίου 2009

Ερευνητές στο πανεπιστήμιο του Stanford υποστηρίζουν ότι αποθήκευσαν πληροφορίες σε κυματοσυναρτήσεις του ηλεκτρονίου. Έτσι κατάφεραν να φτιάξουν τα πιο μικρά γράμματα που έγιναν ποτέ, μόλις 0.3 νανόμετρα, ένα επίτευγμα που ξεκίνησε το 1985 στο ίδιο πανεπιστήμιο.

Ένας σχηματισμός μορίων διοξειδίου του άνθρακα (κάτω) δημιουργεί ένα κβαντικό ολόγραμμα (πάνω).

Οι μονάδες και τα μηδενικά που συνιστούν τον ψηφιακό κόσμο συμπυκνώνονται τα τελευταία χρόνια σε ολοένα και μικρότερο χώρο. Θεωρούσαμε όμως πως το όριο ήταν δεδομένο: μόνο ένα bit πληροφορίας μπορούσε να κωδικοποιηθεί σε ένα άτομο ή ένα ηλεκτρόνιο.

Αλλά τώρα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Stanford στο Palo Alto της Καλιφόρνιας, χρησιμοποίησαν ένα άλλο χαρακτηριστικό των ηλεκτρονίων, την τάση τους να μεταπηδούν πιθανολογικά μεταξύ διαφορετικών κβαντικών καταστάσεων, ώστε να δημιουργήσουν ολογράμματα που «συμπιέζουν» την πληροφορία σε ακόμα μικρότερο χώρο, τον υποατομικό. Με την κωδικοποίηση της πληροφορίας στην κυματοσυνάρτηση του ηλεκτρονίου, οι ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα σχεδιάγραμμα, μια ολογραφική απεικόνιση, που περιείχε 35 bit πληροφορίας ανά ηλεκτρόνιο.

"Το αποτέλεσμα των ερευνών μας θα αμφισβητήσουν ορισμένες θεμελιώδεις υποθέσεις σχετικά με το απώτερο όριο  αποθήκευσης των πληροφοριών"», λέει ο φοιτητής Chris Moon, κι ένας από τους συντάκτες της εργασίας που δημοσιεύθηκε στο Nature Nanotechnology.

Η πρόκληση για την εγγραφή των πληροφοριών σε ολοένα και μικρότερο χώρο πραγματοποιήθηκε όταν το 1959 ο Richard Feynman αναρωτήθηκε: "γιατί να μη μπορούμε να χωρέσουμε και τους 24 τόμους της εγκυκλοπαίδειας Brittanica στο κεφάλι μιας καρφίτσας;".

30 χρόνια αργότερα ερευνητές της IBM χρησιμοποίησαν μεμονωμένα άτομα ξένου σε μια πλάκα νικελίου για να γράψουν τη λέξη IBM σε ένα χώρο μόλις 12 νανομέτρων. Η πρόκληση του Feynman είχε αρχίσει να αντιμετωπίζεται.

Όμως ο Moon και οι συνάδελφοι του είδαν έναν τρόπο για να μειώσουν ακόμη περισσότερο τον απαιτούμενο χώρο για την αποθήκευση πληροφορίας εφαρμόζοντας ένα κβαντικό ανάλογο του συμβατικού ολογράμματος. Οι επιστήμονες θα αξιοποιούσαν τις κβαντικές ιδιότητες του ηλεκτρονίου, 'φωτίζοντας' όχι με φωτόνια αλλά με ηλεκτρόνια ένα κβαντικό ολόγραμμα.

Χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο σάρωσης φαινομένου σήραγγας, τοποθέτησαν μόρια διοξειδίου του άνθρακα σε ένα στρώμα χαλκού, φτιάχνοντας έτσι την ολογραφική πλάκα. Τα μόρια αυτά ήταν σε θέση να τοποθετηθούν με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζουν διάφορα σχήματα, για παράδειγμα το γράμμα S. Το απέραντο πλήθος των ηλεκτρονίων που υπάρχουν φυσιολογικά στην επιφάνεια της επίστρωσης του χαλκού λειτούργησαν ως μέσο φωτισμού. Ακριβώς όπως οι πέτρες που αναπηδούν στο ήρεμο νερό δημιουργούν κυματισμούς στην επιφάνεια του, έτσι κι αυτά τα ηλεκτρόνια συμβάλουν με τα μόρια του διοξειδίου του άνθρακα και σχηματίζουν ένα κβαντικό ολόγραμμα.

Οι ερευνητές «διαβάζουν» το κβαντικό ολόγραμμα με τη βοήθεια του μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας για να μετρήσουν την ενεργειακή κατάσταση της κυματοσυνάρτησης ενός μοναδικού ηλεκτρονίου. Όπως έδειξαν μπορούσαν να σχηματίσουν ένα «S» (από το «Stanford») σε χώρο που δεν ξεπερνούσε τα 0,3 νανόμετρα.

Κβαντικά κυκλώματα

Εκτός από την κατάρριψη του ατομικού ορίου για την αποθήκευση των πληροφοριών, οι ερευνητές επέδειξαν και ένα από τα απαραίτητα χαρακτηριστικά της κβαντικής ολογραφίας. Τοποθέτησαν δύο στρώματα ή σελίδες από πληροφορίες, στη συγκεκριμένη περίπτωση ένα «S» και ένα «U», εντός του ίδιου ολογράμματος. Για να ξεχωρίσουν την κάθε σελίδα σάρωναν το ολόγραμμα και εντόπιζαν με αυτό τον τρόπο ηλεκτρόνια σε διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα.

Αυτό οδήγησε την ομάδα του Στάνφορντ να σκεφτούν την δημιουργία κβαντικών κυκλωμάτων. Στην κωδικοποίηση του "S", οι ερευνητές συγκέντρωναν την ηλεκτρονιακή πυκνότητα σε ορισμένα σημεία και επίπεδα ενέργειας. Και η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων στο χώρο είναι, στην ουσία, ένα σύρμα. Αυτό οδήγησε έναν από τους συγγραφείς, τον  Hari Manoharan, να σκεφτεί τη χρήση των ολογραμμάτων ως στοιβάσιμα κβαντικά κυκλώματα - που θα μπορούσαν τελικά να συνδέουν μεταξύ τους τα μέρη ενός κβαντικού υπολογιστή.

"Μπορείτε να αλλάξετε τα επίπεδα ενέργειας και θα έχετε ένα διαφορετικό σύνολο καλωδιώσεων," λέει ο Hari Manoharan.

"Το αποτέλεσμα είναι πολύ ενδιαφέρον, λέει ο Alexander Sergienko, φυσικός της κβαντικής οπτικής στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης στη Μασαχουσέτη. Όμως προειδοποιεί ότι η τεχνική αυτή είναι πολύ μακριά από το να έχουν καμία πρακτική χρήση. Η ολογραφία της συμβατική οπτικής - η οποία έχει τη δική της κοινότητα των ερευνητών που προσπαθούν να αποθηκεύουν πληροφορίες όσο πιο πυκνά γίνεται - μπορεί να επωφεληθεί από τις κάμερες συζευγμένου φορτίου (CCD), που διαβάζουν τις πληροφορίες- παράλληλα. Η κβαντική ολογραφία με ηλεκτρόνια αντί φωτόνια, που τώρα προϋποθέτει την χρήση μικροσκοπίων σήραγγας, διαβάζει πιο αργά το ολόγραμμα.

"Για να είναι πρακτικό, πρέπει να σκεφτούμε τη μελλοντική ανάπτυξη της νέας τεχνικής χρησιμοποιώντας πιο γρήγορα συστήματα αναγνώσεως," λέει ο Sergienko. "Απλώς τώρα, είναι μια εξαιρετική απόδειξη της αρχής αυτής. "