Wetenschappers gebruiken lasers om data in glas op te slaan, voor een eeuwige opslag (Video)

Glazen schijf waarop data werd weggeschreven. (Beeld: Microsoft.)

Onze samenleving genereert enorm veel data. Hoewel niet alles even belangrijk is, zijn er bepaalde gegevens die we zo lang mogelijk willen bewaren, zoals historische documenten en wetenschappelijke kennis. Momenteel worden deze opgeslagen op harde schijven en magneetbanden. Helaas hebben beide opslagmethoden een beperkte levensduur: harde schijven raken na 5 tot 10 jaar beschadigd en magneetbanden na zo’n 30 jaar.

Een veelbelovend alternatief is het gebruik van laserpulsen om data in glas op te slaan. Dit zou het mogelijk maken om gegevens veel langer te bewaren. Er is al veel onderzoek naar gedaan, maar tot nu toe bestond er nog geen compleet en functioneel archiveringssysteem op basis van lasers en glas. Onderzoekers van het Project Silica-team van Microsoft Research hebben dit nu voor het eerst gerealiseerd, wat ze beschreven in het prestigieuze tijdschrift Nature.

Permanente veranderingen in glas
Het archiveringssysteem werkt door middel van een femtoseconde-laser die op een glazen schijf schijnt. Deze laser zendt 10 miljoen krachtige pulsen per seconde uit. Door de intense energie van de laser wordt de microstructuur van het glas op bepaalde punten lichtjes aangepast, waardoor het licht anders door het materiaal beweegt.

Elke aanpassing aan de structuur van het glas wordt een voxel genoemd. Deze voxels zijn extreem klein, waardoor er duizenden miljoenen van deze punten op een glazen schijf kunnen worden opgeslagen.

Door de golflengte, kracht en polarisatie van de laser te variëren, kunnen verschillende typen voxels gecreëerd worden, die licht op een andere manier beïnvloeden. Dit maakt het mogelijk om computertaal (bits, de nullen en enen) in het glas te coderen. Bovendien kan één voxel, afhankelijk van de eigenschappen van de laser, meer dan één bit bevatten. Zo kunnen er grote hoeveelheden data in het glas worden opgeslagen.

Een geautomatiseerde microscoop kan de manier waarop licht door het glas beweegt meten en zo de opgeslagen data weer uitlezen. Door de verschillende voxeltypes en hun eigenschappen (zoals de 3D-positie) te analyseren, kan het systeem de informatie terugvertalen naar computertaal.

Omdat de structuur van het glas permanent verandert, blijven de gegevens uitzonderlijk lang bewaard. De data blijven in principe veilig opgeslagen totdat het glas zelf beschadigd raakt – maar dat gebeurt slechts zelden als het voorzichtig behandeld wordt. Het betekent ook dat de gegevens niet gewist of vervangen kunnen worden.

Levensduur van duizenden jaren
Het archiveringssysteem, genaamd Silica, heeft een schrijfsnelheid van 25,6 megabits per seconde. Door vier laserstralen tegelijkertijd te gebruiken, kan die snelheid worden verhoogd naar 65,9 megabits per seconde. Ter vergelijking: een gemiddelde harde schijf schrijft tussen de 800 en 1600 megabits per seconde.

Silica is in staat om 1590 megabits per kubieke millimeter op te slaan. Dit komt neer op 4,84 terabytes op een glazen schijfje van 12 centimeter lang, 12 centimeter breed en 0,2 centimeter dik. Dit zou genoeg ruimte bieden om zo’n vijftig tot honderd ultra-HD 4K-films op te slaan.

Het team heeft experimenten uitgevoerd om de levensduur van Silica in te schatten. De voorlopige resultaten suggereren dat de data waarschijnlijk tot wel 10.000 jaar leesbaar blijven, en mogelijk zelfs veel langer.

Toekomstige vooruitzichten
Hoewel de huidige prestaties van Silica al indrukwekkend zijn, moeten zowel de opslagcapaciteit als de schrijfsnelheid aanzienlijk worden verhoogd om te kunnen concurreren met bestaande datacenters.

Desondanks zijn natuurkundigen Feng Chen en Bo Wu, die niet betrokken waren bij het Silica-project, erg enthousiast over de vooruitgang. In een commentaar dat naast het wetenschappelijke artikel in Nature is gepubliceerd, noemen ze Silica een belangrijke stap vooruit. Ze stellen dat als deze technologie op grote schaal geïmplementeerd wordt, het een mijlpaal kan betekenen in de geschiedenis van kennisopslag – vergelijkbaar met de ontdekking van orakelbotten, middeleeuws perkament of de moderne harde schijf.