Ingenting varar för evigt, men är det möjligt att bromsa oundvikliga förfall? En undersökning om fördröjningen av försämring av kvantminnesenheter och bildandet av svarta hål förklaras med intuitiva analogier från vardagen

Oundvikligen, stora stjärnor i slutet av sitt liv kollapsar under den gigantiska tyngdkraften, förvandlas till svarta hål. Vi kan listigt fråga om det finns ett sätt att fördröja denna process. skjuta upp stjärnans död. När jag undersökte "anti-aging terapi" av stora stjärnor, forskare vid Center for theoretical Physics of the Universe, inom Institute for Basic Science (IBS) konceptualiserade ett idealiskt material som kunde lagra data under exceptionellt längre tid än nuvarande kortlivade enheter, ger nya tips för framtida kvantminneteknik.

Arkeologer har kunnat upptäcka, och ofta dechiffrera, meddelanden som lämnats av gamla civilisationer i lertavla, sten eller papper. Dessa exemplar tog sig in på 2000 -talet, men kommer våra digitala meddelanden att överleva i orört skick i tusentals år? Produktionen av ny digital information är större än någonsin tidigare, men kiselbaserade enheter har ett utgångsdatum:det är cirka 3 till 5 år för hårddiskar och 5 till 10 år för flashlagringsenheter, CD -skivor och DVD -skivor. Tyvärr, alla våra ovärderliga minnen lagrade som digitala foton, videor och digitaliserade dokument kommer inte att vara tillgängliga för våra ättlingar, såvida vi naturligtvis inte försiktigt kopierar dem till nya enheter då och då. Att övervinna denna begränsning är en av de största utmaningarna som forskare står inför idag. "Vi dör alla, men vi vill bromsa åldrandet, så att vi kan leva längre, mycket längre än nu. Detsamma gäller våra digitala data, vi vill förlänga deras existens, "säger Soo-Jong Rey, chef för fältet, Allvar, och Strings Group vid Center for theoretical Physics of the Universe.

Att gå kvant är det bästa sättet att utnyttja nanoskalavärldens många aspekter. Det låter oss utnyttja kvantegenskapen med "kvantinvikling", varigenom sammanhängande strukturer kan bildas i dessa små skalor. Den grundläggande kvantprincipen togs upp av Rolf Landauer redan 1961. Han upptäckte att värme och information hänger nära samman. Bearbetningsdata genererar värme och av denna anledning, information försämras och kan inte lagras för alltid. Nu med digital miniatyrisering, vi tar tekniken till sina kvantgränser. Information lagras i mindre och mindre kvantskalanordningar, mot dess naturliga tendens att sprida sig, och genererar därför ännu mer värme.

Naturligtvis, nedgång och förfall är en del av livet, eftersom allt handlar om energiöverföring. Det är samma fenomen som får ett varmt kaffe att nå rumstemperatur när det kommer i kontakt med en kall mugg och luft. Energi överförs från kaffet till muggen och så småningom till luften. Energi tenderar att försvinna, om den inte är skärmad och begränsad. Denna utbytesprocess som minskar temperaturen på kaffe är slutligen kopplad till en kvantinformationsprocess som fysiker kallar "kryptering" i den ultimata kvantskalan. Som ordet antyder, kryptering innebär blandning av energi och information där originalen inte kan hämtas, på samma sätt som äggula och vitt inte känns igen i ett äggröra.

För att hålla kaffet varmt längre, det skulle vara nödvändigt att skydda den från andra svalare material eller ämnen. När det gäller minnesenheter, för att enheten ska fungera längre, elektroner eller atomer som bär energi eller information om kvantenheter bör inte interagera med andra elektroner och atomer och måste isoleras så mycket som möjligt. Inneslutningen skapas av andra atomer som bildar en barriär. För länge sedan, Phil Anderson bevisade att denna atombyggda barriär fungerar perfekt om vår värld var endimensionell, som en rad. Tänk dig att ha atomer i en linje och sätt ett hinder i mitten för att hålla dem långt ifrån varandra. Dock, om de rör sig i ett tvådimensionellt plan land eller i ett tredimensionellt material, denna fråga är notoriskt komplicerad. Även om halvledarindustrin är specialiserad på att kontrollera dessa hinder, atomer kan alltid hitta vägar för att röra sig eller hoppa och nå sina grannar.

För att komplicera problemet ytterligare, det upptäcktes att elektroner rör sig tillsammans som kluster, kallas starkt korrelerade system eller system med många kroppar. Så medan forskare vill isolera enskilda atomer och elektroner och hindra dem från att interagera med varandra, att hålla tyglarna i ett kluster av dem är ännu mer utmanande.

För att hitta ett idealiserat system som är lokaliserat och korrelerat samtidigt, IBS -forskargruppen förlitade sig på ett exotiskt koncept som kallas supersymmetri. "I supersymmetri, varje partikel har en partner. Till exempel, varje elektron parar med en selektron med samma energi och massa. På grund av dessa parningar, systemet kan lösas med penna och papper, utan att behöva en datorsimulering, oavsett hur många partiklar du har, säger Rey.

Med hjälp av de matematiska principerna för supersymmetri, forskarna konceptualiserade ett idealmaterial med rätt strukturell organisation som kunde lagra kvantdata under exceptionellt lång tid, "exponentiellt längre än de nuvarande minnesenheterna."

Materialet de tänker sig har en speciell arkitektur för energinivåer för sina elektroner. Energinivåer kan tänkas som golv på ett hotell. Dock, Hotellets form ser olika ut beroende på vilken typ av atom. Ju mer energi elektronen har, den högre våningen den upptar. Så elektroner som är involverade i datalagring skulle uppta de översta våningarna. Med denna analogi, hotellet för kisel har en form som liknar en upp och ner pyramid med rum tillgängliga på varje våning. Elektroner med data på översta våningen kan enkelt utbyta sin energi eller data med elektron på de nedre våningarna. På det här sättet, de byter rum med andra elektroner genom att överföra energi eller data. Byte av rum efter rumsbyte, kryptering kommer att inträffa.

Hotellet föreslagits av Reys forskargrupp, istället, smalnar snabbt när det klättrar högre. På detta hotell, de flesta elektronerna finns på första våningen eftersom det är väldigt få rum tillgängliga på de högre våningarna. Eftersom det inte finns några rum på övervåningen, elektroner kan inte interagera med varandra, och de kan inte byta rum. På det här sättet, data från elektronerna i de översta våningarna förloras inte när tiden går. Så småningom, krypteringsprocessen kommer att hända, men det skulle ta en exponentiell tid.

"Termodynamikens andra lag säger att entropin inte kan minska, men det nämns inte hur mycket tid det tar för en ordnad stat att bli kaotisk. Så namnet på spelet är livslängd; att förlänga det så mycket som möjligt, "förtydligar Rey." Så småningom, självklart, hotellet kommer att kollapsa, entropi är den ultimata vinnaren, det är oundvikligt, men vi vill se till att en sådan seger kommer först efter mycket lång tid. "

Även om det inte finns något material med sådana energinivåer ännu, denna nya förståelse kan vägleda materialvetare och ingenjörer i minnesenheter om hur man utvecklar överlägsna minneslagringsenheter som passar detta koncept och som kan ersätta kisel.

Gå tillbaka till "stora stjärnornas anti-aging terapi", på samma sätt som det är teoretiskt möjligt att designa ett material för längre digital lagring, forskare undrar om det är möjligt att peka på exakta kriterier för att fördröja förfallet av stora stjärnor. Med andra ord, kan de fördröja bildandet av svarta hål? Framtida forskning kommer att berätta.

Studien publicerades i Journal of High Energy Physics .