Analogie pour comparer les propriétés de différents matériaux pour le stockage de données. Le niveau d'énergie des électrons peut être représenté comme les étages d'un hôtel occupés par des électrons. Dans le cas du « Silicon Hotel », affiché sur l'écran de l'ordinateur, il y a plusieurs chambres disponibles à chaque étage, ce qui signifie que les électrons riches en données des étages supérieurs peuvent facilement échanger leur énergie et leurs données avec les électrons des étages inférieurs. Plus le matériau a de ces interactions, plus la durée de vie du stockage des données est courte. Au lieu, l'« Hôtel Idéal » n'a pas de chambres disponibles à l'étage, les électrons ne peuvent pas interagir entre eux, ni échanger des chambres. Finalement, il y aurait des échanges, mais cela prendrait beaucoup de temps. Un matériau avec ce type de niveaux d'énergie stockerait des informations beaucoup plus longtemps que les dispositifs actuels à base de silicium. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Rien n'est éternel, mais est-il possible de ralentir la pourriture inéluctable ? Une enquête sur le délai de détérioration des dispositifs de mémoire quantique et la formation de trous noirs expliquée avec des analogies intuitives de la vie quotidienne
Inévitablement, les grandes étoiles en fin de vie s'effondrent sous la gigantesque force de gravité, se transformer en trous noirs. Nous pourrions astucieusement demander s'il existe un moyen de retarder ce processus; reporter la mort de la star. En enquêtant sur la "thérapie anti-âge" des grandes étoiles, chercheurs du Centre de physique théorique de l'Univers, au sein de l'Institute for Basic Science (IBS) a conceptualisé un matériau idéal qui pourrait stocker des données pendant une durée exceptionnellement plus longue que les dispositifs actuels à courte durée de vie, apportant de nouvelles indications pour les futures technologies de mémoire quantique.
Les archéologues ont pu découvrir, et souvent déchiffrer, messages laissés par les civilisations anciennes en tablette d'argile, pierre ou papier. Ces spécimens sont entrés dans le 21e siècle, mais nos messages numériques survivront-ils en parfait état pendant des milliers d'années ? La production de nouvelles informations numériques est plus importante que jamais, mais les appareils à base de silicium ont une date d'expiration :elle est d'environ 3 à 5 ans pour les disques durs et 5 à 10 ans pour les appareils de stockage flash, CD et DVD. Malheureusement, tous nos précieux souvenirs stockés sous forme de photos numériques, les vidéos et les documents numérisés ne seront pas disponibles pour nos descendants, à moins bien sûr que nous les copiions soigneusement sur de nouveaux appareils de temps en temps. Surmonter cette limitation est l'un des plus grands défis auxquels sont confrontés les scientifiques aujourd'hui. "Nous allons tous mourir, mais nous voulons ralentir le processus de vieillissement, afin que nous puissions vivre plus longtemps, beaucoup plus longtemps que maintenant. Il en va de même pour nos données numériques, nous voulons prolonger leur existence, " dit Soo-Jong Rey, directeur du domaine, La gravité, et Strings Group au Centre de physique théorique de l'univers.
Le passage quantique est le meilleur moyen d'exploiter les nombreuses facettes du monde nanométrique. Il nous permet d'exploiter la propriété quantique de "l'intrication quantique" grâce à laquelle des structures cohérentes peuvent être formées à ces petites échelles. Le principe quantique fondamental a été soulevé par Rolf Landauer en 1961. Il a découvert que la chaleur et l'information sont intimement liées. Le traitement des données génère de la chaleur et, Pour cette raison, l'information se détériore et ne peut être stockée indéfiniment. Désormais avec la miniaturisation numérique, nous amenons la technologie à ses limites quantiques. Les informations sont stockées dans des dispositifs à échelle quantique de plus en plus petits, contre sa tendance naturelle à s'étaler, et donc générer encore plus de chaleur.
Il va sans dire, le déclin et la décadence font partie de la vie, car tout se résume au transfert d'énergie. C'est le même phénomène qui fait qu'un café chaud atteint la température ambiante lorsqu'il est en contact avec une tasse froide et de l'air. L'énergie est transférée du café à la tasse et éventuellement à l'air. L'énergie a tendance à se dissiper, à moins qu'il ne soit blindé et confiné. Ce processus d'échange qui réduit la température du café est finalement connecté à un processus d'information quantique que les physiciens appellent « brouillage » à l'échelle quantique ultime. Comme le mot l'indique, le brouillage implique le mélange d'énergie et d'informations où les originaux ne peuvent pas être récupérés, de la même manière que le jaune et le blanc ne sont pas reconnaissables dans un œuf brouillé.
Afin de garder le café au chaud plus longtemps, il serait nécessaire de le protéger de tout autre matériau ou substance plus froid. Dans le cas des dispositifs de mémoire, pour faire fonctionner l'appareil plus longtemps, les électrons ou atomes porteurs d'énergie ou d'informations d'unités quantiques ne doivent pas interagir avec d'autres électrons et atomes et doivent être isolés autant que possible. Le confinement est créé par d'autres atomes qui forment une barrière. Il y a longtemps, Phil Anderson a prouvé que cette barrière atomique fonctionne parfaitement si notre monde était unidimensionnel, comme une ligne. Imaginez avoir des atomes alignés et mettre un obstacle au milieu pour les maintenir éloignés les uns des autres. Cependant, s'ils se déplacent dans un terrain plat à deux dimensions ou dans un matériau à trois dimensions, cette question est notoirement compliquée. Bien que l'industrie des semi-conducteurs soit spécialisée dans le contrôle de ces barrières, les atomes peuvent toujours trouver des chemins pour se déplacer ou sauter et atteindre leurs voisins.
Pour compliquer encore le problème, il a été découvert que les électrons se déplacent ensemble sous forme d'amas, appelés systèmes fortement corrélés ou systèmes à plusieurs corps. Alors que les scientifiques veulent isoler des atomes et des électrons isolés et les empêcher d'interagir les uns avec les autres, tenir les rênes d'un groupe d'entre eux est encore plus difficile.
Afin de trouver un système idéalisé à la fois localisé et corrélé, l'équipe de recherche de l'IBS s'est appuyée sur un concept exotique appelé supersymétrie. « En supersymétrie, chaque particule a un partenaire. Par exemple, chaque électron s'apparie avec un sélectron de même énergie et de même masse. En raison de ces appariements, le système peut être résolu avec un stylo et du papier, sans avoir besoin d'une simulation informatique, peu importe le nombre de particules que vous avez, " dit Rey.
En utilisant les principes mathématiques de la supersymétrie, les scientifiques ont conceptualisé un matériau idéal avec la bonne organisation structurelle qui pourrait stocker des données quantiques pendant une durée exceptionnellement longue, "exponentiellement plus long que les dispositifs de mémoire actuels."
Le matériau qu'ils envisagent a une architecture particulière de niveaux d'énergie pour ses électrons. Les niveaux d'énergie peuvent être imaginés comme les étages d'un hôtel. Cependant, la forme de l'hôtel est différente selon le type d'atome. Plus l'électron a d'énergie, l'étage supérieur qu'il occupe. Ainsi, les électrons impliqués dans le stockage des données occuperaient les étages supérieurs. En utilisant cette analogie, l'hôtel pour silicium a une forme semblable à une pyramide à l'envers avec des chambres disponibles à chaque étage. Les électrons avec des données au dernier étage peuvent facilement échanger leur énergie ou leurs données avec les électrons des étages inférieurs. De cette façon, ils échangent des pièces avec d'autres électrons en transférant de l'énergie ou des données. Echange de chambre après échange de chambre, un brouillage se produira.
L'hôtel proposé par l'équipe de recherche de Rey, au lieu, se rétrécit rapidement à mesure qu'il monte plus haut. Dans cet hôtel, la plupart des électrons se trouvent au premier étage car très peu de chambres sont disponibles dans les étages supérieurs. Comme il n'y a pas de chambres disponibles à l'étage, les électrons ne peuvent pas interagir entre eux, et ils ne peuvent pas changer de chambre. De cette façon, les données des électrons des étages supérieurs ne sont pas perdues avec le temps. Finalement, le processus de brouillage se produira, mais cela prendrait un temps exponentiel.
"La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie ne peut pas diminuer, mais il ne mentionne pas combien de temps il faut pour qu'un état ordonné devienne chaotique. Ainsi, le nom du jeu est la longévité; de le prolonger le plus possible, " clarifie Rey. " Finalement, bien sûr, l'hôtel va s'effondrer, l'entropie est le vainqueur ultime, c'est inévitable, mais nous voulons nous assurer qu'une telle victoire n'arrive qu'après très longtemps."
Bien qu'un matériau avec de tels niveaux d'énergie n'existe pas encore, cette nouvelle compréhension peut guider les scientifiques des matériaux et les ingénieurs de dispositifs de mémoire sur la façon de développer des dispositifs de stockage de mémoire supérieurs qui correspondent à ce concept et qui pourraient remplacer le silicium.
Revenons à la "thérapie anti-âge des grandes stars", de la même manière qu'il est théoriquement possible de concevoir un matériau pour un stockage numérique plus long, les scientifiques se demandent s'il est possible de pointer vers un critère précis pour retarder la désintégration des grandes étoiles. En d'autres termes, pourraient-ils retarder la formation des trous noirs ? Les recherches futures le diront.
L'étude a été publiée dans le Journal de physique des hautes énergies .
