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Klug verdrahtet : Bits und Bytes auf engstem Raum

Auch die Computer-Festplatten kommen langsam an die Grenze ihres Fassungsvermögens. Bild: dapd

Die Kapazität der gängigen Datenspeicher ist ausgereizt. Will man noch mehr Bits und Bytes etwa auf einer CD unterbringen, muss man sie noch dichter packen. Wie das gehen könnte, demonstrieren französische Forscher mit einem künstlichen neuronalen Netz.

          Die digitale Welt ist im Datenrausch. Weltweit werden pro Tag einige Trillionen-Bytes (10¹⁸) generiert. Aber wohin mit dieser Menge? An neuen Speichermaterialien, die der Datenflut genug Platz bieten könnten, wird noch geforscht. Und so bleibt vorerst nichts anderes übrig, als die Bits und Bytes weiterhin noch dichter gepackt auf die Festplatten und CDs, DVDs oder Blue-Ray-Disks unterzubringen. Bei den optischen Datenspeichern wird das Fassungsvermögen indes von einer scheinbar unüberwindbaren physikalischen Barriere limitiert: der Beugungsgrenze. Danach müssen die Strukturen, in denen man die Bits codiert, größer sein als die Wellenlänge des Laserlichts, mit dem man die Daten einschreibt und wieder ausliest. Ansonsten können die einzelnen Bits nicht aufgelöst und gelesen werden.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Ist das Fassungsvermögen der optischen Speicher somit ausgereizt? Mitnichten, schreiben französische Forscher von der Université de Toulouse in „Nature Nanotechnology“. Mit Maschinen-Lernen und einem künstlichen neuronalen Netz ist es Peter Wiecha und seinen Kollegen gelungen, das Beugungslimit zu unterlaufen.

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          Als Speicher verwendeten die Forscher 300 Mal 300 Nanometer große Nanopartikeln mit einem hohen Brechungsindex. Diese waren in kleinere Blöcke unterteilt, die die Forscher um Wiecha teilweise mit Silizium füllten. Waren die 120 mal 120 Nanometer großen Blöcke leer, entsprach das einer binären „0“, waren sie gefüllt einer binären „1“. Wollte man die Bits lesen, hätte es ultravioletten Laserlichtes bedurft. 

          Statt mit einem Laser beleuchteten die Forscher  die kleinsten Strukturen ihres Datenspeichers mit dem weißen Licht eines optischen Mikroskops. Da die Bits nicht aufgelöst werden konnten, entstand diffuses Streulicht, dessen spektraler Verlauf Informationen über die gespeicherten Bits enthielt. Mit gebräuchlichen Analysegeräten war jedoch kein Weiterkommen. Deshalb ließen die Forscher den Verlauf des Lichtspektrums von einem künstlichen neuronalen Netz analysieren. Nach einiger Zeit des Trainings war der Algorithmus in der Lage, aus allen möglichen Bit-Kombinationen die tatsächliche Einstellung herauszulesen und richtig zu decodieren. Statt nur einem Bit wie üblich können die Forscher nun sogar bis zu neun davon auf einer nur 120 mal 120 Nanometer großen Fläche unterbringen. 

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