Gläserner Datenspeicher

Wie lassen sich die riesigen Datenmengen der Menschheit zuverlässig langfristig speichern? Während bisherige Speichermedien wie Festplatten und Magnetbänder bereits nach wenigen Jahrzehnten unbrauchbar werden, könnte laserbehandeltes Glas einen beständigen Speicher für viele Jahrtausende bieten. Ein Team von Microsoft Research hat nun ein System entwickelt, mit dem sich Informationen effizient auf Glas schreiben und wieder auslesen lassen. Auf einen einzigen zwölf mal zwölf Zentimeter großen Glaschip passen damit fast fünf Terabyte Daten.

Nie zuvor hat die Menschheit so viele Daten produziert wie heute. Viele dieser Daten müssen über Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte aufbewahrt werden, da sie einen großen persönlichen, rechtlichen, kommerziellen oder wissenschaftlichen Wert haben. Doch heutige Datenträger wie Festplatten oder Magnetbänder verlieren bereits nach wenigen Jahrzehnten ihre Funktion, sodass die Daten regelmäßig unter hohem Zeit- und Energieaufwand auf neue Speichermedien übertragen werden müssen. Forschende suchen deshalb nach Möglichkeiten, Informationen langfristig sicher zu bewahren.

Punkte im Glas

Ein Forschungsteam von Microsoft Research hat nun ein System namens Silica entwickelt, mit dem sich Daten effizient und beständig in Glas speichern lassen. Dabei graviert ein sogenannter Femtosekundenlaser mit extrem kurzen, hochenergetischen Laserpulsen winzige Muster in eine Platte aus haltbarem Quarz- oder Borosilikatglas. Codiert werden die Informationen in Form von Voxeln, also dreidimensionalen Pixeln – winzige Punkte im Glas, die durch ihre Position und Ausrichtung jeweils ein Bit an Daten speichern. Die einzelnen Voxel sind so klein und so dicht beieinander, dass 301 Schichten in einem zwei Millimeter dünnen Glasplättchen Platz finden. Auf einer Fläche von zwölf mal zwölf Zentimetern lassen sich so 4,8 Terabyte Daten speichern – so viel wie etwa zwei Millionen gedruckte Bücher oder 5.000 ultrahochauflösende 4K-Filme.

Pro Sekunde kann ein Laser zehn Millionen Pulse erzeugen und mit jedem Puls ein Voxel schreiben. Mit vier gleichzeitig arbeitenden Lasern erreichten die Forschenden Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 65,9 Megabits pro Sekunde. Auslesen lassen sich die Daten Zeile für Zeile mit Hilfe eines automatisierten Mikroskops. Um die Fehlerrate so gering wie möglich zu halten, prüft zudem ein Algorithmus, der auf maschinellem Lernen basiert, die Datenpunkte auf Plausibilität und korrigiert bei Bedarf mögliche Lesefehler. Für zusätzliche Sicherheit schlägt das Forschungsteam zudem eine optimierte Redundanz vor: Wichtige Daten werden mehrfach an verschiedenen Stellen des Datenträgers gespeichert, damit sie sich auch rekonstruieren lassen, falls Teile beschädigt wurden und nicht mehr lesbar sind.

Beständig über Jahrtausende

Um die Haltbarkeit der Glaschips zu testen, simulierten die Forschenden eine beschleunigte Alterung. Dazu erhitzten sie die gravierten Glasplättchen immer wieder auf bis zu 500 Grad Celsius. „Unsere Versuche deuten auf einer außergewöhnlich hohe Langzeitstabilität hin“, berichtet das Team. „Die im Glas gespeicherten Daten blieben bei 290°C selbst nach 10.000 Jahren noch abrufbar und bei Raumtemperatur wahrscheinlich noch deutlich länger.“ Auch gegenüber Feuchtigkeit und elektromagnetischen Störungen ist das Glas unempfindlich. Nicht einbezogen hat das Team, dass das Glas womöglich durch Chemikalien zersetzt werden oder durch mechanische Belastung brechen könnte. Die verwendeten Glasarten – Quarzglas und Borosilikatglas – sind allerdings deutlich bruchstabiler als beispielsweise normales Fensterglas.

„Silica vereint Leistungsfähigkeit, Langlebigkeit und praktische Umsetzbarkeit und verwandelt ein Labor-Konzept in eine praktikable Lösung für die Aufbewahrung der Aufzeichnungen der menschlichen Zivilisation“, schreiben Feng Chen und Bo Wu von der Shandong Universität in China, die nicht an der Studie beteiligt waren, in einem begleitenden Kommentar in Nature. Am besten geeignet ist das System laut Chen und Wu zur Aufbewahrung von sogenannten „kalten Daten“ – also solchen, die lange gespeichert, aber nicht regelmäßig aktualisiert werden müssen. Denn einmal ins Glas geschrieben, lassen sich die Voxel nicht mehr verändern.

„Langfristig könnte die Entwicklung von kompakten, Smartphone-freundlichen Lese- und Schreibgeräten das wahre Potenzial der Technologie entfalten“, meinen Chen und Wu. Laut dem Silica-Projekt-Team von Microsoft könnten auch herkömmliche Laser für die Datenspeicherung in Glas zum Einsatz kommen – wenn auch mit deutlich reduzierter Leistungsfähigkeit. „Bei einer Umsetzung in großem Maßstab könnte Silica einen Meilenstein in der Geschichte der Wissensspeicherung darstellen, ähnlich wie Orakelknochen, mittelalterliches Pergament oder die moderne Festplatte“, schreiben Chen und Wu. „Eines Tages könnte ein einziges Stück Glas die Fackel der menschlichen Kultur und des Wissens über Jahrtausende hinweg tragen.”

Quelle: Microsoft Research Project Silica Team (Cambridge, UK), Nature, doi: 10.1038/s41586-025-10042-w

© wissenschaft.de – Elena Bernard