Как обеспечить сохранность данных на много тысяч лет?
В наше время, когда объемы данных растут с каждым днем, возникает проблема их хранения и сохранности. Существующие носители информации, такие как жесткие диски, флеш-карты или облачные сервисы, имеют свои ограничения по емкости, скорости, надежности и безопасности. К тому же, они подвержены воздействию внешних факторов, таких как температура, влажность, магнитные поля или хакерские атаки. Как же решить эту проблему и создать идеальный способ хранения данных на долгие сроки?
Один из возможных ответов на этот вопрос - использование кварцевого стекла в качестве носителя информации. Кварцевое стекло - это однокомпонентное стекло из чистого диоксида кремния (SiO2), получаемое плавлением природных или синтетических источников кремнезема, таких как горный хрусталь, жильный кварц или кварцевый песок¹. Кварцевое стекло обладает рядом уникальных свойств, которые делают его идеальным материалом для хранения данных. Во-первых, оно очень прозрачно в широком диапазоне спектра, особенно в ультрафиолетовой и инфракрасной областях, что позволяет записывать и считывать данные с помощью лазеров разных длин волн. Во-вторых, оно очень термостойко и устойчиво к температурным перепадам. Оно не деформируется и не трескается при нагревании или охлаждении, и не теряет своих оптических свойств. В-третьих, оно химически инертно к большинству кислот, щелочей и растворителей (за исключением фтористоводородной и ортофосфорной кислот при высоких температурах). Это означает, что оно не корродирует и не растворяется при контакте с различными веществами, и не подвержено окислению или редукции. В-четвертых, оно стойко к ионизирующему излучению, такому как рентгеновское, гамма- или нейтронное. Это означает, что оно не изменяет свою структуру и свойства под воздействием радиации, и не становится радиоактивным.
Исходя из этих свойств, можно сделать вывод, что кварцевое стекло - это идеальный носитель для хранения данных на долгое время. Данные записываются на кварцевое стекло с помощью лазера, который создает на его поверхности или внутри него микроскопические структуры, называемые вокселями. Воксель - это объемный пиксель, который имеет определенную форму, размер, ориентацию и показатель преломления. Каждый воксель может кодировать несколько битов информации, в зависимости от его параметров. Для считывания данных используется другой лазер, который проходит через кварцевое стекло и регистрирует изменения в световом потоке, вызванные вокселями. Таким образом, данные хранятся в трехмерном пространстве, а не на двумерной поверхности, как в случае с традиционными носителями, такими как диски, флешки или карты памяти. Это позволяет увеличить плотность записи и объем хранимой информации. Например, на кварцевом диске диаметром 12 см и толщиной 2 мм можно записать до 360 терабайт данных, что в 18000 раз больше, чем на обычном DVD-диске.
Кварцевое стекло имеет долгую историю, которая началась еще в древности. Естественное кварцевое стекло, называемое тектитом или молниевым стеклом, образуется при ударе молнии в кварцевый песок или при падении метеоритов на землю. Такое стекло было известно египтянам, римлянам, ацтекам и другим цивилизациям, которые использовали его в качестве украшений, амулетов или инструментов. Искусственное кварцевое стекло было получено впервые в 1845 году немецким химиком Юстусом фон Либихом, который плавил горный хрусталь в пламени газовой горелки. В 1893 году французский физик Огюст Вернье разработал метод получения кварцевого стекла путем гидротермального синтеза в автоклаве. В 1930-х годах американский физик Чарльз Таунс и его коллеги создали первый лазер на основе кварцевого стекла, который излучал свет в инфракрасной области спектра. В 1960-х годах японский ученый Казуо Иноуэ и его команда разработали технологию записи и считывания данных на кварцевом стекле с помощью лазера. В 2012 году британская компания Optalysys представила первый оптический процессор на основе кварцевого стекла, который мог выполнять сложные математические операции с высокой скоростью и точностью. В 2013 году американская компания Microsoft и университет Саутгемптона объявили о создании первого кварцевого диска, на котором была записана цифровая копия Библии. В 2019 году та же команда представила кварцевый диск, на котором была записана вся история человечества, включая 10 000 книг, 100 000 изображений и 6 миллионов видео. В 2021 году китайская компания Huawei запустила в космос первый спутник, оснащенный кварцевым стеклом для хранения и передачи данных.
Кварцевое стекло имеет множество потенциальных применений в реальной жизни сегодня. Оно может использоваться для создания надежных и долговечных архивов, которые будут хранить информацию о нашей цивилизации для будущих поколений. Оно может также использоваться для создания высокопроизводительных компьютеров, которые будут работать на оптических сигналах, а не на электрических. Оно может также использоваться для создания новых видов сенсоров, которые будут способны измерять различные физические параметры, такие как температура, давление, влажность, скорость, ускорение, магнитное поле и т.д. Оно может также использоваться для создания новых видов оптических устройств, таких как линзы, призмы, зеркала, фильтры, поляризаторы, модуляторы и т.д.
Кварцевое стекло имеет ряд преимуществ перед другими носителями информации. Во-первых, оно обладает огромной емкостью: один 5D-диск размером с монету может вместить до 360 терабайт данных, что эквивалентно 22,5 миллионам книг. Во-вторых, оно очень устойчиво к воздействию внешней среды: оно может выдерживать температуру до 1000°C и сохранять данные в течение 13,8 миллиарда лет при температуре 190°C. В-третьих, оно очень безопасно: данные, записанные на кварцевом стекле, невозможно изменить, стереть или подделать.
Однако, кварцевое стекло также имеет свои недостатки. Во-первых, оно дорогое и сложное в производстве: для записи данных на кварцевое стекло требуется высокоточное оборудование и большое количество энергии. Во-вторых, оно медленное в чтении и записи: для записи одного бита информации требуется около 300 наносекунд, что в сотни раз медленнее, чем у современных SSD-дисков. В-третьих, оно не подходит для частого обновления данных: каждая новая запись на кварцевом стекле требует создания нового слоя, что увеличивает его толщину и вес.
Кварцевое стекло может найти свое практическое применение в разных сферах жизни. Оно может быть использовано для хранения важной исторической, культурной или научной информации, которая должна быть сохранена на долгие сроки. Например, ученые из Университета Саутгемптона записали на кварцевое стекло "Универсальную декларацию прав человека", "Великую хартию вольностей", "Библию" и др. Кроме того, кварцевое стекло может быть использовано для хранения персональных данных, таких как фотографии, видео, музыка или документы, которые хочется оставить в наследство своим потомкам. Наконец, кварцевое стекло может быть использовано для хранения секретной или конфиденциальной информации, которая требует высокого уровня защиты от взлома или утери.
В заключение, можно сказать, что кварцевое стекло - это перспективная технология хранения данных, которая имеет свои достоинства и недостатки. Она может решить проблему хранения и сохранности больших объемов информации на долгие сроки, но также требует развития и совершенствования. Возможно, в будущем, кварцевое стекло станет обычным способом хранения данных, или же будет заменено другой, более эффективной и доступной технологией.
Больше информации в Telegram канале: ТехноДайджест