Niets is voor altijd, maar is het mogelijk om onontkoombaar verval te vertragen? Een onderzoek naar de vertraging van de achteruitgang van kwantumgeheugenapparaten en de vorming van zwarte gaten verklaard met intuïtieve analogieën uit het dagelijks leven

onvermijdelijk, grote sterren bezwijken aan het einde van hun leven onder de gigantische zwaartekracht, veranderen in zwarte gaten. We zouden sluw kunnen vragen of er een manier is om dit proces te vertragen; de dood van de ster uitstellen. Tijdens het onderzoeken van "anti-verouderingstherapie" van grote sterren, onderzoekers van het Centrum voor Theoretische Fysica van het Heelal, binnen het Institute for Basic Science (IBS) een ideaal materiaal geconceptualiseerd dat gegevens uitzonderlijk langer zou kunnen opslaan dan huidige apparaten met een korte levensduur, brengt nieuwe hints voor toekomstige kwantumgeheugentechnologieën.

Archeologen hebben ontdekt, en vaak ontcijferen, berichten achtergelaten door oude beschavingen in kleitabletten, steen of papier. Deze exemplaren haalden de 21e eeuw, maar zullen onze digitale berichten duizenden jaren in onberispelijke staat overleven? De productie van nieuwe digitale informatie is groter dan ooit tevoren, maar op silicium gebaseerde apparaten hebben een vervaldatum:het is ongeveer 3 tot 5 jaar voor harde schijven en 5 tot 10 jaar voor flash-opslagapparaten, CD's en DVD's. Helaas, al onze onschatbare herinneringen opgeslagen als digitale foto's, video's en gedigitaliseerde documenten zullen niet beschikbaar zijn voor onze nakomelingen, tenzij we ze natuurlijk van tijd tot tijd zorgvuldig naar nieuwe apparaten kopiëren. Het overwinnen van deze beperking is een van de grootste uitdagingen waarmee wetenschappers tegenwoordig worden geconfronteerd. "We gaan allemaal dood, maar we willen het verouderingsproces vertragen, zodat we langer kunnen leven, veel langer dan nu. Hetzelfde geldt voor onze digitale gegevens, we willen hun bestaan ​​verlengen, " zegt Soo-Jong Rey, directeur van het veld, Zwaartekracht, en Strings Group bij het Center for the Theoretical Physics of the Universe.

Kwantum gaan is de beste manier om de vele facetten van de wereld op nanoschaal te benutten. Hiermee kunnen we de kwantumeigenschap van "kwantumverstrengeling" benutten, waardoor op deze kleine schaal coherente structuren kunnen worden gevormd. Het fundamentele kwantumprincipe werd in 1961 geopperd door Rolf Landauer. Hij ontdekte dat warmte en informatie nauw met elkaar verbonden zijn. Bij het verwerken van gegevens ontstaat warmte en om deze reden, informatie verslechtert en kan niet voor altijd worden bewaard. Nu met digitale miniaturisatie, we brengen technologie tot haar kwantumlimieten. Informatie wordt opgeslagen in kleinere en kleinere apparaten op kwantumschaal, tegen zijn natuurlijke neiging om zich uit te spreiden, en dus nog meer warmte genereren.

Onnodig te zeggen, verval en verval maken deel uit van het leven, omdat het allemaal neerkomt op energieoverdracht. Het is hetzelfde fenomeen dat ervoor zorgt dat een hete koffie op kamertemperatuur komt wanneer deze in contact komt met een koele mok en lucht. Energie wordt overgedragen van de koffie naar de mok en uiteindelijk naar de lucht. Energie heeft de neiging om te verdwijnen, tenzij het is afgeschermd en beperkt. Dit uitwisselingsproces dat de temperatuur van koffie verlaagt, is uiteindelijk verbonden met een kwantuminformatieproces dat natuurkundigen op de ultieme kwantumschaal 'scrambling' noemen. Zoals het woord suggereert, scrambling omvat het vermengen van energie en informatie waar de originelen niet kunnen worden teruggevonden, op dezelfde manier dat de dooier en het wit niet herkenbaar zijn in een roerei.

Om de koffie langer warm te houden, het zou nodig zijn om het te beschermen tegen andere koelere materialen of stoffen. In het geval van geheugenapparaten, om het apparaat langer te laten werken, elektronen of atomen die energie of informatie van kwantumeenheden dragen, mogen geen interactie aangaan met andere elektronen en atomen en moeten zoveel mogelijk worden geïsoleerd. De opsluiting wordt gecreëerd door andere atomen die een barrière vormen. Een lange tijd geleden, Phil Anderson bewees dat deze door atomen gebouwde barrière perfect werkt als onze wereld eendimensionaal was, zoals een lijn. Stel je voor dat je atomen op een rij hebt staan ​​en een obstakel in het midden plaatst om ze ver uit elkaar te houden. Echter, als ze bewegen in een tweedimensionaal vlak land of in een driedimensionaal materiaal, deze kwestie is notoir ingewikkeld. Hoewel de halfgeleiderindustrie gespecialiseerd is in het beheersen van deze barrières, atomen kunnen altijd paden vinden om te bewegen of te springen en hun buren te bereiken.

Om het probleem nog ingewikkelder te maken, er werd ontdekt dat elektronen als clusters naar elkaar toe bewegen, sterk gecorreleerde systemen of veellichamensystemen genoemd. Dus terwijl wetenschappers afzonderlijke atomen en elektronen willen isoleren en voorkomen dat ze met elkaar in wisselwerking staan, het vasthouden van de teugels van een cluster van hen is nog uitdagender.

Om een ​​geïdealiseerd systeem te vinden dat tegelijkertijd gelokaliseerd en gecorreleerd is, het IBS-onderzoeksteam vertrouwde op een exotisch concept genaamd supersymmetrie. "In supersymmetrie, elk deeltje heeft een partner. Bijvoorbeeld, elk elektron paren met een selectron van dezelfde energie en massa. Door deze combinaties het systeem is op te lossen met pen en papier, zonder de noodzaak van een computersimulatie, hoeveel deeltjes je ook hebt, "zegt Rey.

Met behulp van de wiskundige principes van supersymmetrie, de wetenschappers bedachten een ideaal materiaal met de juiste structurele organisatie dat kwantumgegevens uitzonderlijk lang kon opslaan, "exponentieel langer dan de huidige geheugenapparaten."

Het materiaal dat ze voor ogen hebben, heeft een speciale architectuur van energieniveaus voor zijn elektronen. Energieniveaus kunnen worden voorgesteld als de vloeren in een hotel. Echter, de vorm van het hotel ziet er anders uit, afhankelijk van het type atoom. Hoe meer energie het elektron heeft, de hogere verdieping die het inneemt. Dus elektronen die betrokken zijn bij gegevensopslag zouden de bovenste verdiepingen bezetten. Met behulp van deze analogie, het hotel voor silicium heeft een vorm die lijkt op een omgekeerde piramide met kamers op elke verdieping. Elektronen met data op de bovenste verdieping kunnen gemakkelijk hun energie of data uitwisselen met elektronen op de onderste verdiepingen. Op deze manier, ze wisselen kamers uit met andere elektronen door energie of gegevens over te dragen. Kamerwissel na kamerwissel, er zal gerommeld worden.

Het hotel voorgesteld door Rey's onderzoeksteam, in plaats daarvan, loopt snel taps toe naarmate het hoger klimt. In dit hotel, de meeste elektronen bevinden zich op de eerste verdieping omdat er maar heel weinig kamers beschikbaar zijn op de hogere verdiepingen. Aangezien er boven geen kamers beschikbaar zijn, elektronen kunnen niet met elkaar interageren, en ze kunnen niet van kamer wisselen. Op deze manier, gegevens van de elektronen in de bovenste verdiepingen gaan niet verloren met het verstrijken van de tijd. Eventueel, het klauterproces zal plaatsvinden, maar het zou een exponentiële tijd vergen.

"De tweede wet van de thermodynamica stelt dat de entropie niet kan afnemen, maar het vermeldt niet hoeveel tijd het kost voordat een geordende staat chaotisch wordt. Dus de naam van het spel is een lange levensduur; om het zo lang mogelijk te verlengen, " verduidelijkt Rey. "Uiteindelijk, natuurlijk, het hotel zal instorten, entropie is de uiteindelijke winnaar, het is onvermijdelijk, maar we willen ervoor zorgen dat zo'n overwinning pas na een zeer lange tijd komt."

Hoewel een materiaal met dergelijke energieniveaus nog niet bestaat, dit nieuwe begrip kan materiaalwetenschappers en geheugenapparaatingenieurs begeleiden bij het ontwikkelen van superieure geheugenopslagapparaten die passen bij dit concept en die silicium zouden kunnen vervangen.

Terugkomend op de "anti-aging therapie van de grote sterren", op dezelfde manier als het theoretisch mogelijk is om een ​​materiaal te ontwerpen voor langere digitale opslag, wetenschappers vragen zich af of het mogelijk is om een ​​nauwkeurig criterium aan te wijzen om het verval van grote sterren te vertragen. Met andere woorden, kunnen ze de vorming van zwarte gaten vertragen? Toekomstig onderzoek zal het uitwijzen.

De studie werd gepubliceerd in de Journal of High Energy Physics .