Бъдещето на съхранението на информация, или как стъклото и ДНК молекулите могат да спасят света от „потопа“ от данни

В ерата на интернет, изкуствения интелект, интелигентните домове и онлайн мониторинга, има едно нещо, което просто не можем да спрем да произвеждаме: данни. Анализатори прогнозират, че до 2028 г. ще генерираме по 394 трилиона зетабайта всяка година. При всяко наше действие в интернет – гледаме видео в YouTube, изпращаме имейл, задаваме въпрос на чатбот с изкуствен интелект – низове от данни се изпращат в киберпространството. И макар че може би сме склонни да мислим за данните като за нещо по-леко от въздуха, носещо се неосезаемо през кабели под морето или съскащо нежно в „облака“ някъде над главите ни, те всъщност изискват големи физически ресурси, търсенето на които се оказва ненаситно.

Този непрекъснат и безплътен за нас поток от цифрово съдържание в действителност се съхранява в огромни центрове за данни, които консумират все повече електроенергия и се превръщат в сериозно предизвикателство за околната среда. С нарастването на нуждите от съхранение на данни, учените започват да търсят радикално нови подходи – такива, които не само да съхраняват повече информация, но и да я запазват устойчиво във времето. Сред най-обещаващите идеи изпъкват две на пръв поглед несвързани технологии: записване на данни в стъкло и в ДНК молекула.

Светлината като инструмент за вечна памет, съхранена в стъкло

Откритията, довели до т.нар. „кристали на паметта“, започват почти случайно в самия край на XX век. По време на изследвания през 1999 г. в университетска оптоелектронна лаборатория в Япония учени експериментирали писане върху стъкло, използвайки изключително бързи фемтосекундни лазери, излъчващи импулси на една квадрилионна (10¹⁵) част от секундата. В този процес те забелязват странно поведение на светлината – тя не се разсейва по познатите физични закони. Това наблюдение поставя началото на ново разбиране за взаимодействието между светлина и материал.

Изследователите открили скрити наноструктури в силициевото стъкло, създадени от „микроексплозии“ от фемтосекундните лазери – толкова малки, че са невидими за човешкото око. Тези структури променят начина, по който светлината преминава през материала, което позволява информацията да бъде кодирана вътре в него. Около 1000 пъти по-малки от дебелината на човешки косъм, тези „водовъртежи“ от светлина са толкова миниатюрни, че са неразличими за нашето зрение. Но скоро на учените става ясно, че те имат голям трансформиращ потенциал. „Това беше първото доказателство, че можем да използваме светлината, за да „отпечатваме“ сложни модели вътре в прозрачни материали в мащаб, по-малък от дължината на светлинната вълна“, казва Питър Казански, професор по оптоелектроника в университета в Саутхемптън, Великобритания, който си сътрудничи с изследователите от университета в Киото. Така възниква идеята за съхранение на данни в няколко измерения едновременно – не само чрез позицията в пространството, но и чрез характеристики като ориентация и интензитет на светлината.

С времето технологията се развива до степен, в която малък 5-инчов стъклен диск може да съдържа до 360 TB информация. Още по-впечатляващо е, че този тип носител практически не изисква енергия за поддържане на данните, след като те вече са записани. За разлика от традиционните твърди дискове или магнитни ленти, които трябва да се охлаждат и подменят периодично, стъклените носители са изключително устойчиви на температура, време и външни въздействия.

Концепцията привлича вниманието на компании като Microsoft, които експериментират със съхранение на данни в различни видове стъкло, включително и боросиликатно стъкло, използвано за домакински съдове. Изследванията показват, че информацията може да се запази в продължение на хиляди години, което отваря възможности за архивиране на културното и научното наследство на човечеството.

Въпреки обещаващите резултати, технологията все още е в процес на усъвършенстване. Едно от основните предизвикателства е свързано със скоростта на запис и четене, както и с интеграцията в съществуващите системи. Съвременната дигитална инфраструктура е изградена около други типове носители, което прави прехода към нови технологии все още сложен и скъп, но пробивът в тази насока предстои в най-близко бъдеще.

ДНК молекулата – древният носител на информацията

Паралелно с развитието на оптичните технологии, учените насочват вниманието си към една изключително ефективна система за съхранение на информация, създадена от самата природа – веригата на ДНК. В продължение на милиарди години тя е съхранявала генетичния код на живите организми, като го е предавала през поколенията с удивителна точност.

Теоретично идеята за използване на ДНК като носител на данни е предложена за първи път през 1959 г. от Ричард П. Файнман, а демонстрациите от 80-те години на миналия век насам потвърждават нейната реална приложимост. Моделът на ДНК като носител на цифрови данни се основава на прост принцип: всяка информация може да бъде представена чрез комбинации от четири основни елемента – в случая нуклеотидите A, T, C и G. Чрез подходящо кодиране тези букви могат да се преобразуват в двоичния код на компютрите. След това информацията се „записва“ чрез синтезиране на реални ДНК молекули, които могат да се съхраняват за изключително дълги периоди.

Само един грам ДНК може да побере огромно количество информация – далеч повече от всички съвременни носители. Освен това, при подходящи условия, тя може да остане стабилна в продължение на хиляди години без нужда от енергия за охлаждане или поддръжка. Това я прави особено привлекателна за дългосрочно архивиране.

Въпреки това, практическото приложение на технологията все още среща сериозни препятствия. Основният проблем е цената – синтезирането на ДНК е скъпо и бавно, а извличането на конкретна информация от нея изисква сложни лабораторни процедури. Въпреки напредъка през последните години, този подход все още не е готов за масово използване.

Интересът към ДНК съхранението обаче продължава да расте. Отново Microsoft е сред водещите организации, които инвестират в тази област, създавайки колаборативни екипи и експериментални проекти, насочени към бъдещето на дигиталната памет. 

Между технологиите и избора

И двете технологии – стъклените носители и ДНК молекулите – предлагат решения за така наречените „студени данни“, които не се използват често, но трябва да бъдат съхранявани дългосрочно. Те могат значително да намалят енергийното натоварване на дейта центровете и да осигурят устойчив начин за запазване на информацията. Макар че засега не се очертава някоя от тях да замени скоро съществуващите системи за ежедневна работа и бърз достъп до информация, те по-скоро ще се превърнат в допълнение към актуалните технологии, особено в областта на архивите и дългосрочното съхранение.

В крайна сметка обаче остава един по-фундаментален въпрос. В свят, в който можем да съхраняваме почти всичко, трябва ли наистина да го правим? С нарастващия обем от данни и свързаните с него разходи в екологичен аспект, все по-важно става не само как съхраняваме информацията, но и какво избираме да запазим.

Бъдещето на дигиталната памет може да се крие в стъкло или в молекули, но неговата посока ще зависи и от човешките решения – какво считаме за ценно, необходимо и достойно да бъде запомнено.

По статията работи: Стелина Бонева

Източник на информацията: bbc.com, sphotonix.com

Източник на снимковия материал: bbc.com, sphotonix.com, Microsoft, ©Engineer BG via Canva.com