Spørg Scientariet: Hvad er grænsen for lagermediers informationstæthed?
more_vert
close
close

Vores nyhedsbreve

close
Når du tilmelder dig nyhedsbrevet, accepterer du både vores brugerbetingelser og at Mediehuset Ingeniøren og IDA group ind i mellem kontakter dig angående events, analyser, nyheder, tilbud etc. via telefon, SMS og e-mail. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Spørg Scientariet: Hvad er grænsen for lagermediers informationstæthed?

Vores læser Rasmus Kjeldsen har spurgt:

Findes der en teoretisk grænse for lagermediers informationstæthed?

Umiddelbart har jeg det indtryk, at med tilstrækkelig avanceret teknik har en evt. grænse noget med materialets densitet at gøre (hvor tæt man kan pakke elektroner).

Men hvad, hvis man benytter sig af andre kvantemekaniske fænomener som f.eks. Bose-Einstein-kodensater osv.?

Når og hvis man opnår ekstrem informationstæthed, kan man vel også hurtigt få problemer med Heisenbergs usikkerhedsprincip og entropi?

Læs også: Ny form for magnetisk lagring: Permeabilitetsbit

Peter Bøggild, professor på DTU Nanotech, svarer:

Når man taler ’lagring’, så drejer det sig i første omgang om at tilføje, fjerne eller modificere et materiale i et område, som man så kan udlæse igen senere.

Ofte er der brug for at kunne lagre bestemt information og så senere erstatte med ny information – og det kræver, at man kan slette på en måde, der gør, at mediet bliver ’friskt’ igen. Dette kan man på harddiske, magnetbånd og flash-ram.

For at blive praktisk anvendeligt er det helt, helt essentielt, at dette kan ske hurtigt. Pointen med at gemme information på lidt plads er, at så er der plads til mere.

Læs også: Spørg Scientariet: Hvorfor er overvågningsbilleder så grynede?

Mens lagringsmedier er blevet måske 10-20 gange mindre, er deres kapacitet gået mange, mange størrelsesordner op, siden jeg fik en 1-MB-harddisk i min Macintosh-computer i 1980’erne.

Et USB-stik kan snildt have 128.000 gange kapaciteten på den VOLDSOMT store harddisk. Så hastigheden må også skyde i vejret.

Den mest ekstreme traditionelle lagringsteknik, jeg er stødt på, var faktisk en forsker fra DTU, Ulrich Quaade, der sammen med sine kolleger lykkedes med at få et enkelt hydrogenatom til at flippe ved at give den ’stød’ med en meget skarp tungsten-tip – som er en del af et af nanoteknologiens gode gamle kendinge, scanning-tunnel-mikroskopet.

Ulrich Quaade fandt ud af, at en række af brintatomer hver især kunne skiftes mellem to ækvivalente positioner på en siliciumoverflade – og at denne række kunne bruges til at lagre data med næsten atomar opløsning. Som man måske kan tænke sig slet, slet ikke hurtigt nok til at være praktisk anvendeligt.

Detaljer, som at det skulle foregå i ultrahøjt vakuum med et 1 ton tungt instrument, lagde måske også en dæmper på investeringslysten. Som et studie i ekstrem lagring var det imidlertid en succes.

Læs også: Krypteringsfolket frygter kvantecomputeren

Så kommer vi til spørgsmålet om den teoretiske grænse for informationstæthed, som er noget sværere at svare på. Så længe vi tænker på lagring som noget, der skal modelleres i stof, må stoffets nedre grænse, atomet, definere, hvor tæt vi kan pakke bits og bytes.

Efter at være faldet lidt i staver, uden at komme på noget, jeg tør kalde et svar, søger jeg tilflugt på nettet.

Måske er kvantehologrammer, der lagrer information i elektroners bølgefunktion, vejen – i hvert fald lykkedes det forskere i 2009 at lagre det, der svarer til 35 bits pr. elektron ved at anbringe CO-molekyler på en overflade, så interferensmønsteret danner bogstaverne SU - med lidt god vilje. Igen foregår udlæsning møjsommeligt med et scanning-tunnel-mikroskop.

Spændende artikel, men måske minder dette lidt om at se på skyer og ’opdage’, hvordan deres form tilfældigvis ligner et bestemt dyr. Kan forskerne skrive de første 20 cifre af PI med elektron-bølgefunktioner, tager jeg en imaginær hat af.

Læs også: Kvanteskolen del 4: Kvantebit og kvantealgoritmer

Ulrik Lund Andersen, professor på DTU Fysik, uddyber:

Den optimale hukommelsestæthed – uafhængig af den fysiske implementering, men blot begrænset af fysikkens love – er direkte forbundet med den termodynamiske entropi: Information er gemt i såkaldte tilstande, som kan antage to forskellige værdier; 0 og 1.

Jo flere tilstande, der findes pr. volumen, des mere information kan lagres. Den maksimale hukommelsestæthed er derfor direkte forbundet med det maksimale antal tilstande i en given volumen, som ifølge termodynamikken er givet ved systemets maksimale entropi.

Entropien, og dermed det maksimale antal bits, afhænger naturligvis af computernes fysiske størrelse. I en laptop, som vejer 1 kg og fylder 1 liter, kan man udregne en nedre grænse for den maksimale entropi til at være S=2 10^8 joule/kelvin.

Det betyder, at det maksimale antal bits, som kan lagres i denne computer, er ca. 10^31 bits (da antallet af bits er givet ved S/(ln2 kB), hvor kB er Boltzmans konstant). Dette er et astronomisk tal, og det vil også være umådeligt svært at bygge en laptop, som er i stand til at lagre et så stort antal bits.

Læs også: NSA-direktør: Vi skulle ikke have anbefalet algoritme med potentielle bagdøre

Nutidens laptops kan lagre omkring 10^12 bits, så der er et godt stykke vej op til den ultimative hukommelsesgrænse for en laptop.

For at skabe maksimal entropi - og dermed maksimal hukommelsestæthed - skal computeren være et plasma med en temperatur på flere milliarder grader celsius. Den skal med andre ord skabe en lille nuklear eksplosion svarende til et lille big bang! Det er naturligvis ikke realistisk.

Selvom det vil være urealistisk at skabe en sådan computer, vil vi måske kunne komme tæt på grænsen med andre metoder.

I disse år arbejdes der intenst på udviklingen af den såkaldte kvantecomputer, hvor bits lagres på atomar skala: Man har for eksempel vist, at bits kan lagres og kontrolleres i enkelte atomkerner i for eksempel et diamantkrystal.

Et kilogram materiale kan indeholde ca. 10^25 atomkerner, så hvis disse kerner alle kan registrere 1 bit, kan vi komme meget tæt på den optimale grænse uden at genskabe big bang.

Spørg Scientariet

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til Scientariet.

Kommentarer (9)

Man måske en gang i fremtiden kan man lagre data i snoede fotoner (OAM) (pt ca. 8 bit/foton):

Wikipedia: Lys orbitale angulære moment (OAM).

Kombinér det med Lene Haus BEC-"fotonfryser":

physicscentral.com: Lene Hau:
Citat: "...
This year, her group took its experiments a step further by getting light inside a Bose-Einstein Condensate to stop completely.
...
Slow or stopped light could someday be used in future computers that use light instead of electrons to carry and process information.
..."

Kilder:

Nov 1, 2012, physicsworld.com: Spooky action with twisted beams:
Citat: "...Using this technique, Zeilinger and co-workers found they could obtain differences in quantum number as high as 600 (in other words l = +300 on one photon and l = –300 on the other). Lapkiewicz points out that there is, in theory, no upper limit to a photon's l value, which suggests that a photon – a quantum object – could acquire as much OAM as a macroscopic object, leading to what he calls a "tension between the quantum and classical worlds"..."

June 28, 2013, New Fiber Optic Technology Could Boost Internet Bandwidth:
Citat: "...
Widely studied in molecular biology, atomic physics and quantum optics, optical vortices (also known as orbital angular momentum, or OAM, beams) were thought to be unstable in fiber, until BU Engineering Professor Siddharth Ramachandran recently designed an optical fiber that can propagate them. In the paper, he and Alan Willner of USC demonstrate not only the stability of the beams in optical fiber but also their potential to boost Internet bandwidth.
..."

Institute of Physics. (2014, November 11). Twisted light waves sent across Vienna. ScienceDaily.

23. nov 2014, ing.dk: Snoet lys kan mangedoble datahastigheden.
Et nyt eksperiment viser, at snoede lasersignaler kan sendes uforstyrret gennem atmosfærisk luft
.

  • 0
  • 0

I artiklen "siden jeg fik en 1-MB-harddisk i min Macintosh-computer i 1980’erne."

Næppe. Den mindste harddisk der blev solgt til PC'ere i 1980'erne var på 5 MB. Det var også med den størrelse aPple startede.

  • 1
  • 0

Det er også et spørgsmål om hvor længe medierne kan holde på data uden at de sletter eller ændrer sig selv. En magnetisk harddisk vil f.eks. før eller siden slette sig selv. DRAM skal faktisk refreshe sig selv.
I følge sagens natur er der ingen moderne lagringsteknologier, som har bevis at holde i 100 år endnu.

  • 1
  • 1