Los discos de cuarzo 5D
Los Discos Duros de cuarzo 5D
Las primeras demostraciones experimentales de la tecnología de almacenamiento óptico de datos en 5 dimensiones (5D) tuvieron lugar en 2010, en la Universidad de Kioto (Japón), y 2013, en la Universidad de Southampton (Reino Unido). Durante esta última demostración un grupo de investigadores especializados en optoelectrónica, una disciplina que se encuentra a medio camino de la óptica y la electrónica, logró almacenar un archivo de texto de 300 kbytes en un pequeño cristal de cuarzo. Y, posteriormente, también consiguió recuperarlo.
Este logro puede no parecer gran cosa, pero, en realidad, solo era un primer paso hacia algo más grande. Muchos medios de comunicación, entre los que se encontraba Xataka, se sorprendieron cuando pocos años después de aquellas primeras demostraciones ese mismo grupo de investigadores británicos anunció que tenía preparada una tecnología de almacenamiento que permitirá guardar hasta 360 TB de datos en un disco con el mismo diámetro de un CD o un DVD, y que, además, tendría una vida útil de nada menos que 13.800 millones de años.
Esto es lo que nos promete el almacenamiento óptico 5D
La posibilidad de almacenar 360 TB de información en un disco con un diámetro de 12 cm, que, además, tiene una vida útil equiparable a la edad actual del Universo es, cuando menos, sorprendente. De hecho, resulta difícil creerlo, pero lo cierto es que esta tecnología ya existe. El primer ingrediente en el que merece la pena que nos detengamos es el cuarzo fundido, un cristal de óxido de silicio (SiO2), conocido habitualmente como sílice, que se caracteriza por tener una estructura amorfa.
A diferencia de los sólidos cristalinos, que tienen átomos perfectamente ordenados en una estructura conocida como red cristalina, las moléculas que conforman los sólidos amorfos no responden a una estructura ordenada. Esta característica les confiere un atributo muy interesante: sus propiedades físicas son las mismas en todas direcciones, un fenómeno conocido en física como isotropía.
La disposición irregular de las moléculas de los sólidos amorfos provoca que la intensidad de las fuerzas que describen las interacciones que existen entre ellas sea también irregular, por lo que estos sólidos no tienen un punto de fusión definido. Esto significa, sencillamente, que se funden en un intervalo de temperatura, y no cuando alcanzan un valor de temperatura preciso, por lo que habitualmente se deforman antes de fundirse completamente.
Esta propiedad de los cristales de cuarzo fundido contribuye a que su estabilidad térmica, química y su resistencia sean muy altas. De hecho, los investigadores que han desarrollado la tecnología involucrada en el almacenamiento óptico 5D aseguran que los discos de cuarzo que utilizan son capaces de resistir el contacto directo del fuego y temperaturas de hasta 1.000 grados Celsius sin deteriorarse. Esta sorprendente estabilidad es en gran medida la responsable de que, según estos científicos, estos soportes puedan perdurar durante los 13.800 millones de años que he mencionado unos párrafos más arriba en un entorno con una temperatura máxima de 190 grados Celsius.
No es necesario que indaguemos mucho más en las propiedades fisicoquímicas de estos cristales, pero conocer sus características más relevantes es importante porque puede ayudarnos a intuir de dónde sale la longevidad que anuncian los investigadores que están detrás de esta tecnología. Ya sabemos cómo es el soporte que proponen como medio de almacenamiento masivo de datos, pero ahora nos falta entender cómo consiguen almacenar nada menos que 360 TB en un disco de cuarzo fundido con el mismo diámetro de un CD. Y la mejor forma de comprenderlo pasa por conocer cómo es el procedimiento de grabación de los datos y qué tecnologías involucra.
La clave del proceso de escritura: el láser de femtosegundo
Desde las primeras líneas del artículo estamos dando vueltas a la idea de que esta es una tecnología de almacenamiento óptico de datos, por lo que, tal y como sucede con el CD, el DVD o el Blu-ray Disc, debe necesariamente estar involucrado un láser. Y sí, es así, pero el utilizado por esta innovación es un dispositivo relativamente peculiar conocido como láser de femtosegundo muy parecido al que se utiliza en cirugía ocular para operar las cataratas, la presbicia, la miopía y otros defectos de refracción de la luz.
El nombre de este láser procede de su capacidad de producir pulsos de luz con una duración extremadamente corta, del orden de los femtosegundos (10-15 s), una magnitud que equivale a una milésima de la billonésima parte de un segundo. La precisión que nos ofrece este láser en el dominio del tiempo es altísima, una cualidad necesaria para crear en el disco de cuarzo fundido unas incisiones diminutas que son las que codifican cada uno de los bits de los datos que queremos almacenar en el soporte.
En realidad, lo que hacen los haces de luz emitidos por el láser de femtosegundo al practicar sobre el soporte de cuarzo fundido esas minúsculas incisiones es alterar su nanoestructura. Este procedimiento es posible debido a que el cristal de cuarzo tiene una estructura en forma de rejilla con un tamaño intermedio entre las escalas microscópica y molecular. Esta propiedad es la que, precisamente, nos ayuda a entender lo extremadamente pequeñas que son las incisiones aplicadas por el láser sobre el soporte, lo que provoca que sea posible almacenar una cantidad enorme de información en cada uno de los discos de cuarzo.
La tecnología que están utilizando los investigadores de la Universidad de Southampton les permite distribuir las incisiones practicadas por el láser de femtosegundo en tres capas diferentes del soporte, pero ya han conseguido llevar a cabo pruebas en las que han escrito hasta 18 capas utilizando pulsos de luz con una energía de 0,2 μJ, una frecuencia de 500 kHz y una duración de cada uno de los pulsos de 600 fs (femtosegundos). Estos datos nos permiten hacernos una idea bastante certera de la precisión que requiere esta tecnología durante la aplicación de los pulsos de luz sobre el soporte.
Cada una de las celdillas de la nanoestructura en forma de rejilla de la que hemos hablado un poco más arriba tiene un tamaño aproximado de 20 nm, y, una vez que han sido manipuladas por el láser, actúan sobre la forma en que la luz se propaga a través de ellas de una manera muy similar a los filtros polarizadores que se utilizan, por ejemplo, en las gafas de sol. La luz es una forma de radiación electromagnética que tiene la peculiaridad de que su campo electromagnético oscila perpendicularmente a la dirección en la que se propaga la onda, por lo que, grosso modo, estos filtros provocan que, al atravesarlos, la luz adquiera una sola dirección de oscilación.
Precisamente, esta manipulación de la forma en la que se propaga la luz a través de la nanoestructura del disco de cuarzo es la que permite a estos investigadores codificar información binaria en el cristal. Las cinco dimensiones de las que hablan cuando describen esta tecnología podemos interpretarlas como la necesidad de conocer cinco coordenadas derivadas de la posición y la orientación concreta que tiene cada una de las celdillas de la nanoestructura para que seamos capaces de leer cada una de las unidades mínimas de la información codificada en el soporte de cuarzo.
Tres de estas dimensiones coinciden con las tres coordenadas espaciales con las que todos estamos familiarizados, y que solemos representar utilizando los ejes X, Y y Z. Lo que los investigadores llaman «cuarta dimensión» no es otra cosa que la dirección del eje que nos indica la orientación espacial de cada una de las celdillas de la nanoestructura. Y la «quinta dimensión» deriva del tamaño de cada celdilla, que, a su vez, actúa sobre la intensidad de la luz reflejada por cada una de ellas.
Lo realmente importante de todo lo que acabamos de ver es que necesitamos conocer estos cinco parámetros, dimensiones o coordenadas (lo relevante es la idea y no el sustantivo que usamos para identificarla) para poder leer la información codificada en el estado de cada una de las celdillas de la nanoestructura del cristal de cuarzo.
Podemos ilustrar con claridad esta necesidad recordando cómo recuperamos los datos almacenados en un CD, un DVD o un Blu-ray Disc. Para leer la información binaria almacenada en un CD solo necesitamos conocer dos «dimensiones» espaciales para, así, identificar la posición de cada una de las incisiones que codifican un bit y que están distribuidas en una única capa de material. Sin embargo, para recuperar la información de un DVD o un Blu-ray Disc necesitamos conocer, además de las dos dimensiones espaciales que requiere el CD, una tercera coordenada que nos indica a qué capa debemos acceder para leer un bit concreto.
Un apunte importante: la grabación de la información en los discos de cuarzo es permanente, por lo que, al menos por el momento, no es posible reescribir en ellos nuevos datos. Curiosamente, el dispositivo que es necesario utilizar para leer la información codificada en estos soportes no es un láser de femtosegundo como el que se usa para escribir en estos discos, sino una máquina que combina un microscopio óptico y un filtro polarizador que actúa, como hemos visto unos párrafos más arriba, seleccionando la dirección en la que oscila el campo electromagnético generado por las ondas de luz.
Esta es la razón por la que aún no tenemos esta tecnología en casa
El almacenamiento óptico de datos 5D funciona. De hecho, ya se ha utilizado en varias ocasiones para grabar en discos de cuarzo algunos documentos con relevancia histórica o artística. Una de las organizaciones que está usando actualmente esta tecnología es la fundación Arch Mission Foundation, una institución estadounidense que aspira a preservar todo el conocimiento de la humanidad utilizando múltiples repositorios redundantes y un medio de almacenamiento que tenga una longevidad lo más extensa posible. Como hemos visto, los cristales de cuarzo encajan como un guante en esta premisa.
Los dos primeros discos de cuarzo fabricados por Arch Mission Foundation fueron a parar a las manos de Elon Musk. Uno de ellos contiene la biblioteca personal de este empresario sudafricano, y el otro acabó en el Tesla Roadster que Musk lanzó al espacio a bordo del cohete Falcon Heavy el 6 de febrero de 2018. Esta tecnología de almacenamiento funciona, y está disponible, pero hay una razón de peso que explica por qué aún no se ha popularizado: los dispositivos involucrados en los procesos de lectura y escritura de la información en los discos de cuarzo son complejos, caros y voluminosos.
Desafortunadamente, los investigadores que están trabajando en las tecnologías involucradas en el almacenamiento óptico 5D no han desvelado cuándo se producirá la ansiada miniaturización de estos dispositivos ópticos, probablemente porque ni siquiera ellos lo saben con certeza. Aun así, si echamos la vista atrás por un instante y observamos el ritmo al que se han desarrollado los láseres y la optoelectrónica durante las últimas tres décadas podemos ser razonablemente optimistas y aceptar que, con un poco de suerte, quizá veamos cómo esta tecnología se populariza en una o dos décadas.
De hecho, lo más importante no es reducir la complejidad del láser de femtosegundo utilizado en la escritura, sino miniaturizar el dispositivo usado para leer los discos de cuarzo, que es el aparato que acabará conectado a nuestros ordenadores tanto en las empresas como en nuestras casas. Crucemos los dedos.
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