A tecnologia quântica de óxido de magnésio que quer levar os CDs a outro nível

Uma equipa de investigação da Universidade de Chicago está a desenvolver uma tecnologia capaz de transformar o velho disco prateado num verdadeiro monstro do armazenamento. Em vez de esbarrar nos limites do comprimento de onda do laser, a proposta apoia-se na física quântica, em elementos raros e em cristais de óxido de magnésio. Juntas, estas peças prometem uma densidade de armazenamento com a qual os CDs, DVDs ou Blu-rays de hoje apenas podem sonhar.

Como um defeito num cristal de óxido de magnésio se torna uma célula de armazenamento

No centro deste trabalho estão os chamados defeitos quânticos na estrutura cristalina do óxido de magnésio. Tratam-se de pequenas irregularidades numa rede que, de resto, é bem organizada. Nesses pontos ficam presos eletrões que não estão rigidamente ligados e que podem ser excitados pela luz.

Os investigadores fazem estes defeitos interagir com fontes de luz extremamente precisas, conhecidas como emissores de banda estreita. Estes emissores assentam em elementos químicos raros e emitem luz em comprimentos de onda muito bem definidos.

"Os defeitos no cristal funcionam como minúsculas células de memória, capazes de captar e reter energia luminosa - e, com ela, informação."

As partículas de luz usadas, ou seja, os fotões, são tecnicamente muito mais “pequenas” do que as dos lasers convencionais. Não operam na faixa de cerca de 500 nanómetros a 1 micrómetro, como acontece nos suportes ópticos normais, mas sim muito abaixo desse intervalo. Isso permite encaixar muito mais pontos de informação na mesma área.

Até mil vezes mais armazenamento na mesma superfície

A grande alavanca está na densidade de armazenamento. Como as zonas endereçáveis no cristal são tão reduzidas, um suporte destes pode, em teoria, guardar até mil vezes mais dados do que os meios ópticos actuais.

• CD hoje: no máximo cerca de 700 megabytes
• DVD hoje: até cerca de 4,7 gigabytes (uma camada)
• Blu-ray hoje: até cerca de 100 gigabytes (camadas múltiplas)
• nova abordagem: teoricamente quantidades de armazenamento na ordem de dezenas de terabytes numa só superfície

Os investigadores admitem que, no futuro, um suporte óptico com o tamanho de um DVD poderia receber milhares de filmes em alta definição. Para fornecedores de transmissão em fluxo, estúdios de cinema ou grandes arquivos, isso seria uma verdadeira revolução, porque permitiria guardar volumes enormes de dados num espaço mínimo.

A física por trás da tecnologia de armazenamento quântico: a energia move-se ao nível nanométrico

Para chegar até aí, a equipa teve primeiro de perceber de que forma a energia circula entre os emissores de banda estreita e os defeitos do cristal. O grupo liderado pela física Giulia Galli modelou essa transferência de energia em escalas extremamente pequenas - na ordem dos nanómetros.

O princípio é simples: o emissor lança um fotão. Esse fotão atinge um defeito na rede cristalina. Aí, a energia luminosa é absorvida e fica guardada como um estado excitado do eletrão. Esses estados podem ser lidos novamente através de métodos de medição específicos, que procuram de forma direccionada a informação armazenada.

"O que realmente importa é durante quanto tempo o defeito mantém essa energia excitada e quão bem a informação pode ser recuperada."

É precisamente nisso que a equipa ainda está a trabalhar. Os fundamentos indicam que a transferência de energia resulta. Mas a estabilidade do processo e o número de vezes que ele pode ser repetido ainda estão apenas parcialmente esclarecidos.

Os maiores obstáculos: tempo, temperatura e viabilidade prática

Até esta ideia se tornar num meio de armazenamento pronto para o mercado, continua a existir um fosso considerável. Há várias questões ainda em aberto:

• Quanto tempo permanece a energia luminosa retida nos defeitos?
• Com que fiabilidade é possível voltar a ler os dados armazenados?
• Em que condições de temperatura os materiais funcionam de forma estável?

O último ponto é especialmente delicado. Muitas aplicações quânticas precisam de temperaturas próximas do zero absoluto, ou seja, quase menos 273 graus Celsius. Nestes ambientes, os estados sensíveis dos eletrões mantêm-se por mais tempo, mas isso fica completamente fora da realidade do uso quotidiano.

A equipa em Chicago quer precisamente evitar essa limitação. O objectivo é criar um sistema que funcione à temperatura ambiente - isto é, algures entre o armário da sala e o centro de dados. Só nesse caso é que o esforço passa a fazer sentido para a indústria e para os utilizadores.

Como poderia ser usado um suporte de dados quântico destes?

Se a tecnologia resultar, poderá mexer com várias áreas ao mesmo tempo:

• Centros de dados: mais informação em menos espaço, menos necessidade de arrefecimento, custos mais baixos por terabyte.
• Aplicações de IA: os dados de treino de grandes modelos ficariam em suportes ópticos extremamente densos, em vez de encherem milhares de discos rígidos.
• Cinema e media: estúdios e serviços de transmissão em fluxo poderiam guardar materiais de arquivo de forma compacta em discos, em vez de ocuparem fileiras inteiras de servidores.
• Arquivo de longa duração: museus, bibliotecas e organismos públicos preservariam documentos importantes durante décadas.

Os meios ópticos têm uma vantagem face aos discos rígidos e ao armazenamento flash: envelhecem mais devagar e são muito menos sensíveis a falhas de energia. Combinados com mecanismos de memória baseados em quântica, poderiam dar origem a uma espécie de “CD de arquivo 2.0”.

Em que isto difere da tecnologia quântica actual?

A física quântica aparece hoje muitas vezes nas mesmas manchetes que os computadores quânticos, a comunicação encriptada ou os sensores de alta precisão. O caminho seguido em Chicago é ligeiramente diferente: aqui o foco não é a capacidade de cálculo, mas sim a densidade de armazenamento e a estabilidade.

Enquanto os computadores quânticos trabalham com estados extremamente frágeis, que se dissipam depressa, os investigadores procuram defeitos robustos que consigam conservar energia durante o maior tempo possível. O desafio está em encontrar um equilíbrio estável: sensível o suficiente para escrever e ler com precisão, mas resistente a perturbações do ambiente.

"Podemos imaginar os defeitos, de forma aproximada, como pequenos interruptores que são activados pela luz e depois voltam a ser lidos."

Estes interruptores podem ser dispostos milhões ou até milhares de milhões de vezes numa rede cristalina. Cada interruptor armazena um valor de informação, ou até vários estados, consoante o grau de distinção dos estados excitados.

A que distância está de um produto que se possa comprar?

De uma “super-CD” nas lojas de electrónica ainda estamos muito longe. Neste momento, o trabalho decorre sobretudo em laboratório e em simulação. Existem modelos, medições e primeiros protótipos em pequena escala, mas ainda não há produção em série.

Antes de um fabricante construir uma unidade de leitura, várias camadas têm de encaixar:

• Produção de materiais: cristais com defeitos introduzidos de forma deliberada e com qualidade perfeita.
• Óptica de precisão: lasers e emissores que forneçam exactamente os comprimentos de onda pretendidos.
• Electrónica de controlo: controladores capazes de escrever e ler os fluxos de dados com fiabilidade.
• Normas: formatos, sistemas de ficheiros e interfaces que se integrem nos sistemas existentes.

Só quando todas estas peças estiverem no lugar é que o conceito poderá tornar-se numa nova classe de produto - tal como aconteceu, em tempos, com a passagem de CD para DVD e, mais tarde, para Blu-ray.

Porque razão o óxido de magnésio e os elementos raros?

O óxido de magnésio é um material relativamente bem estudado. Forma cristais estáveis e pode ser produzido com limpeza técnica elevada. Nesta rede, é possível introduzir de propósito falhas que funcionam como locais de armazenamento.

Os elementos raros servem como fontes de luz muito finas. Fornecem fotões com bandas de comprimento de onda estreitas e claras. Daí nasce uma espécie de endereço óptico: determinados comprimentos de onda activam determinados defeitos. Quanto mais finamente estes comprimentos de onda puderem ser escalonados, mais pontos de informação cabem no mesmo espaço.

Na prática, uma futura unidade de leitura poderia usar não apenas um laser, mas todo um espectro de fontes de luz extremamente precisas, capazes de apontar de forma selectiva para diferentes zonas do cristal.

O que isto significa para os utilizadores comuns?

Para o dia-a-dia dos consumidores, um sistema destes poderia ter dois lados. Por um lado, a tentação seria enorme: um único suporte para toda a colecção de filmes, cópias de segurança de fotografias e talvez até para a vida inteira do computador pessoal.

Por outro lado, ficam logo as perguntas sobre preço, durabilidade e compatibilidade. Ópticas de alta precisão e cristais especializados são caros. É possível que a tecnologia permaneça durante muito tempo sobretudo em centros de dados, arquivos e aplicações de nicho. Só quando os custos descerem e as normas se consolidarem é que o mercado de massas poderá entrar em cena.

Os suportes de armazenamento baseados em quântica mostram para onde a evolução aponta: afastar-se do simples aumento de capacidade por via de chips maiores ou mais discos e passar a explorar efeitos cada vez mais sofisticados ao nível atómico. Armazenamento magnético, flash, suportes ópticos - tudo se cruza com a física quântica. O facto de, no meio disto, surgir uma ideia que faz lembrar os velhos discos prateados só torna o tema ainda mais apelativo.