الذاكرات الهولوگرافية

الذاكرات الهولوگرافية

بعد ثلاثين عاما من اختراع الهولوگرامات، صار الباحثون على أُهْبةٍ لاستخدامها في

خزن البيانات في ذاكرات تتميز بسعتها وسرعتها.

<D.پسالتيس> ـ <F. موك>

 

تخزن الذاكرة الهولوگرافية البيانات في بلورة من نيوبات الليثيوم لا يتجاوز حجمها سنتيمترين مكعبين. يتشكل الهولوگرام في البلورة عند التقاء الحزمة المرجعية (وهي ثخينة وساطعة في هذه الصورة) مع حزمة الإشارة (وهي أضعف شدة وأقل ثخنا) التي تحتوي على البيانات.

 

كان الخزن (التخزين) الضوئي للبيانات أحد النجاحات التقانية لفترة الخمس عشرة سنة الماضية؛ إذ غزت الأقراص المدمجة compact discs CD الأسواق بالتسجيلات الموسيقية، وأصبحت الآن الوسيلة القياسية لإنتاج برامجيات متعددة الوسائط multimedia تجمع بين النصوص المكتوبة والصور والصوت. ومن بين نتاجات هذه البرامجيات المتعددة المتوافرة في الأقراص المدمجة يجد مستعملو الحواسيب الشخصية ألعاب ڤيديو وصحفا ومجلات بأكملها وموسوعات وخرائط متنوعة.

 

ولا ريب أن الذاكرات الضوئية تخزن قدرا هائلا من المعلومات الرقمية بثمن رخيص وبصورة ملائمة؛ إذ يمكن أن يتضمن قرص مدمج نحو 640 مليون بايت⁽¹⁾ byte تكفي لسماع ساعة وربع الساعة من الموسيقى ذات الأداء العالي أو لاحتواء أكثر من ثلاثمئة صفحة من نص ذي أسطر مضاعفة المسافة. ومع ذلك تشير كل الدلائل إلى أن هذه الذاكرات الواسعة قد بعثت على طلب وسائل أكثر سعة وأرخص ثمنا، كما ترغب صناعة التسلية في وضع فيلم سينمائي أو أكثر في قرص ضوئي ذي قدٍّ مماثل للقرص المدمج، وتحتاج بعض المستشفيات (المشافي) والشركات القانونية والوكالات الحكومية والمكتبات العامة إلى خَزْن الكثير من البيانات (المعطيات) التي يمكن استرجاعها عن طريق أجهزة آلية تستطيع الوصول إلى قرص مدمج معيِّن بين مئات الأقراص الأخرى.

 

وقد استجاب المهندسون إلى ذلك من خلال محاولة استغلال منظومات الأقراص المدمجة إلى أقصى حد. وهكذا يختبر بعض الباحثين ليزرات أشباه موصلات (نواقل) ذوات أطوال موجية أقصر من الليزرات المستعملة حاليا (في الحقيقة ستسمح هذه الطريقة بجعل المسافات الفاصلة بين البتات أكثر تراصا مما عليه الحال في القرص المدمج العادي). ويدرس باحثون آخرون طرائق ضغط البيانات و”الميز (الفصل) الفائق” super resolution الذي يتيح الحصول على كثافة أعلى (على حساب زيادة ضجيج الخلفية). ويستخدم تطوير واعد آخر أقراصًا مدمجة ذوات طبقات متعددة يتوضع فيها مسارا بيانات اثنان أو أكثر بحيث تُقرأ بنظام ضوئي يمكنه المباءرة focus على كل طبقة على حدة. ومن المنتظر أن تزيد المنظومات من استيعاب الأقراص المدمجة إلى عشرات البلايين من البايتات في غضون السنوات الخمس القادمة.

 

ولكن تعبئة قرص مدمج بالكثير من البيانات (مئات البلايين من البايتات تقريبا) تتطلب طريقة مختلفة جذريا، ألا وهي الهولوگرافي Holography. ترجع هذه الفكرة إلى عام 1963 عندما اقترح <J.P.فان هيردِن> (من شركة بولارويد) للمرة الأولى استخدام هذه الطريقة لخزن البيانات في الأبعاد الثلاثة.

 

ويُعتقد حاليا أنه بالإمكان خزن الذاكرات الهولوگرافية لمئات البلايين من بايتات البيانات وتحويلها بمعدل قد يزيد على بليون بتة في الثانية ثم انتقاء بيانات اختيرت عشوائيا في زمن قد يقل عن مئة مكروثانية. ولم تصل أية تقانة ذاكراتية أخرى ذات مستوى يمكّنها من توفير هذه الميزات الثلاث إلى الصيغة التجارية، وهذا ما دعا شركات كبرى مثل Rockwell و IBM و GTE في العامين 1993 و19944 إلى البدء بتطوير الذاكرات الهولوگرافية أو إلى تكثيف جهودها في هذا المجال.

 

ومن المحتمل أن يؤدي السعر الباهظ لهذه التقانة والجِدَّة في طريقة عملها إلى قَصْر استعمالها في البداية على عدد قليل من التطبيقات الخاصة التي تتطلب مقدرة وسرعة فائقتين. وفي الوقت الحالي تسعى هذه الاستعمالات إلى شق طريقها في مجالات ضيّقة ومناسبة لذلك. وهكذا عُرضت مؤخرا منظومة هولوگرافية لخزن بصمات أصابع الأشخاص الذين يحقُّ لهم الدخول إلى منطقة محظورة، ويُسمح للشخص بالدخول عند وضع أصابع مطابقة للبصمات المخزونة على الصفيحة الزجاجية للجهاز. وإذا أصبحت الذاكرات الهولوگرافية أرخص ثمنا (من خلال استجابتها للاحتياجات المتزايدة لاستعمالها) فبوسعها أن تحل محل الأقراص الضوئية كوسيلة عالية السعة لخزن البيانات الرقمية في مجمل الاستخدامات المعلوماتية.

 

تُستمد المزايا الرئيسة للخزن الهولوگرافي العالي الكثافة والسرعة من التسجيل الثلاثي الأبعاد والقراءة الآنية لصفحة كاملة من البيانات في مرة واحدة. كما تنفرد الذاكرات الهولوگرافية بخزنها كل بتة على شكل نمط تداخلي عبر كامل وسط الخزن.

 

كيف تعمل الذاكرات الهولوگرافية؟

ينشأ نمط التداخل، الذي يسمى شبيكة تداخلية grating أيضا، عندما تتداخل حزمتان ليزريتان إحداهما مع الأخرى في مادة حساسة للضوء، تتغير خواصها الضوئية عند تلقيها للحزمتين المتقاطعتين.

 

قبل طبع بتات البيانات بهذه الطريقة ضمن البلورة ينبغي تمثيلها في نمط من المربعات الشفافة والكامدة على شاشة عرض من نوع البلورات السائلة (LCD)، وهي نسخة مصغَّرة عن الشاشات الموجودة في الحاسوب الحُجري (المحمول). تضيء حزمة ليزرية ذات لون أزرق مُخضر نمط المربعات الشفافة والكامدة (وهو ما يشكل الصفحة) ثم تُباءَر بوساطة عدسات لتكوِّن حزمة الإشارة. ويتشكل هولوگرام صفحة البيانات عندما تلتقي حزمةُ الإشارة حزمةًَ أخرى (تدعى حزمة المرجع) في البلورة الحساسة للضوء. وتسدَّد حزمة المرجع في هذه الحالة، أي إن كل أمواجها الضوئية تكون متزامنة بحيث تَعبُر قممها العظمى والصغرى في الآن ذاته أيَّ مستو عمودي على اتجاه الانتشار (تكون هذه الأمواج في الحقيقة أمواجا مستوية). تُعْطي الشبكة التداخلية (الناشئة عن تلاقي حزمتي الإشارة والمرجع) نمطًا يتألف من مناطق ذوات قرائن انكسار متغيرة عبر البلورة.

 

بعد تسجيل الصفحة بهذا النحو يمكن استرجاعها هولوگرافيا عن طريق تسليط حزمة الإسناد على البلورة مرة أخرى بالزاوية نفسها التي سُلِّطت بها هذه الحزمة على المادة لتشكيل الهولوگرام hologram. تنعرج حزمة الإسناد عند مرورها عبر الشبيكة التداخلية الموجودة في البلورة بحيث إنها تولد مرة أخرى الصفحة الأصلية والمعلومات التي تحتوي عليها. ثم تُسقَط الصفحة المتكونة على صفيف من المكشافات الكهرضوئية التي تتحسَّس نمط المربعات المضيئة والكامدة، وبهذه الوسيلة تُقرأ كل المعلومات المخزونة في الصفحة بصورة مباشرة، ومن ثم يمكن خزن هذه البيانات إلكترونيا أو الوصول إليها أو معالجتها من خلال أي حاسوب عادي.

 

وتبقى الدقة هي العامل الرئيس الذي ينبغي أن تتطابق بها حزمة المرجع مع الحزمة الأصلية التي استُخدمت في تسجيل الصفحة. وتتوقف هذه الدقة على ثخانة البلورة، فكلما زادت ثخانة هذه الأخيرة كان خزن حزمة الإسناد أكثر دقة وصحة. فإذا بلغت ثخانة البلورة سنتيمترا واحدا واختلفت زاوية تسليط الحزمة بمقدار جزء من ألف من الدرجة فلن يمكن استرجاع (إعادة تشكيل) الصفحة. وبدلا من أن يكون ذلك عائقا لاستخدام الذاكرة الهولوگرافية فقد استُغِل هذا الإجراء في معظم الذاكرات الهولوگرافية؛ إذ تُسجَّل الصفحة الأولى من البيانات هولوگرافيًّا في البلورة ثم تزاد زاوية ورود حزمة المرجع بحيث يختفي الهولوگرام الأول، ثم تستبدل صفحة بيانات جديدة بالصفحة الأولى وتسجَّل الأخرى هولوگرافيا. يكرر هذا الإجراء المسمى تعاقب الزاوية angle multiplexingمرات عديدة. ويمكن استرجاع أي هولوگرام من الهولوگرامات المسجَّلة من خلال تسليط حزمة المرجع على البلورة بالزاوية الموافقة في كل مرة.

 

تُرى ما عدد الصفحات التي يمكن طبعها في بلورة واحدة؟ يَحدُّ هذا العدد أساسا الخواص التحريكية لمادة البلورة، فكلما ازداد عدد الهولوگرامات التي تشغل الحجم البلوري نفسه نقصت شدة كل منها. وبصورة دقيقة تكون النسبة المئوية للضوء المنعرج عند كل هولوگرام (والتي يمكن التقاطها عبر المكشافات الكهرضوئية) متناسبة عكسا مع مربع عدد الهولوگرامات المتراكبة معه.

 

إذا أعطت عشرة هولوگرامات موجودة في بلورة فعاليةَ انعراجٍ تساوي واحدا في المئة فستبلغ فعالية انعراج ألف هولوگرام 0.0001 في المئة فقط. وسيحدِّد هذا المفعول العدد الأعظمي للهولوگرامات التي يمكن خزنها؛ لأن انخفاض فعالية الانعراج يجعل حصيلة استرجاع (إعادة تشكيل) الهولوگرام ضعيفة جدا بحيث يصعب كشفه بصورة موثوقة وسط ضجيج المنظومة (مثل الترجحات في سطوع الليزرات والتبعثر عن البلورة والإلكترونات ذوات المنشأ الحراري في المكشاف وغير ذلك). يمكن تحديد العدد الأعظمي للهولوگرامات عن طريق قياس الخواص الضوئية لمادة البلورة ولمختلف مصادر الضجيج في المنظومة. ومن الناحية العملية، عندما تنخفض فعالية الانعراج إلى حد يصير استرجاع الصفحات به بصورة موثوقة غير ممكن، يصبح معدل كشف البيانات الخطأ (أي معدل الخطأ في البتات) كبيرا بصورة غير مقبولة.

 

إشارات أقوى

يسعى كثير من بحوث تطوير الذاكرات الهولوگرافية إلى تطبيق الطرائق الحديثة للتخلص من ضجيج الخلفية background noise وتعزيز الإشارات الضوئية التي تمثل صفحات البيانات. من جانب آخر، أتاحت تقانات أفضل كشف إشارات أضعف فأضعف بصورة موثوقة وعزَّزت التحسينات في طرائق التسجيل الهولوگرافي من الإشارات المسجَّلة ومن إمكان طبع عدد أكبر من الصفحات ضمن البلورة.

 

ترجع أول محاولة لخزن العديد من الهولوگرامات إلى بداية السبعينيات عندما قام كل من <J.J. أموداي> و <W. فيليپس> و<L.D.ستابلِر> (من مختبراتRCA) بتسجيل 500 هولوگرام من أمواج مستوية في بلورة من نيوبات الليثيوم المشابة بالحديد. كما خزن <A.R.بارتوليني> وآخرون (من مختبرات RCA أيضا) 550 هولوگراما من صور عالية الميز في مادة متبلمرة حساسة للضوء. كما استطاع فريق <P-.J. هوينيار> (في أورسيه بفرنسا) صنع ذاكرة تحوي 256 موضعا يمكن لكل منها خزن عشرة هولوگرامات. إضافة إلى خزن منظومة هوينيار لعدد كبير نسبيا من الهولوگرامات فإنها تتميز بتفوق تصميمها.

 

لم تؤدِّ الجهود البحثية الأولى إلى ظهور منظومة ذاكراتية عملية على الرغم من التجديد الكبير الذي أحدثته. فالذاكرات المغنطيسية والمعتمدة على أشباه الموصلات كانت في تقدم حثيث في تلك الآونة جاعلة من كل التقانات الغريبة غير جديرة بالمتابعة، وهكذا اختفت الذاكرات الهولوگرافية من الساحة.

 

وقد عاد الاهتمام بالذاكرات الهولوگرافية من جديد في عام 1991 عندما بيَّن واحد منَّا (موك) إمكان خزن 500 صورة هولوگرافية عالية الميز لدبابات وسيارات جيب وبعض الحافلات العسكرية الأخرى في بلورة من نيوبات الليثيوم المشابة بمقادير ضئيلة من الحديد واسترجاع هذه الصور بدقة كبيرة.

 

وتلا ذلك العديد من النظريات والتجارب الجديدة. وفي عام 1992 خزّنا ألف صفحة من البيانات الرقمية في بلورة من نيوبات الليثيوم المشابة بالحديد لا يزيد حجمها على سنتيمتر مكعب واحد، حيث تحتوي كل صفحة على 160×160 بتة تم الحصول عليها من الذاكرة الإلكترونية العادية لحاسوب شخصي، ثم نسخنا بعد ذلك جزءا من البيانات المخزونة وأعدناها إلى ذاكرة الحاسوب ولم نكتشف وجود أية أخطاء. وقد برهنت هذه التجربة للمرة الأولى على إمكان كفاية الصحة والدقة في الخزن الهولوگرافي للاستعمال في الحواسيب الرقمية.

 

يُظهر توضعُ العناصر الضوئية الطريقةَ التي يُمْكن بها طباعة صفحات البيانات على بلورة من نيوبات الليثيوم. تحمل إحدى الحزم الليزرية (وتعرف باسم حزمة الإشارة) البيانات أثناء مرورها عبر المضمّن المكاني للضوء الذي يعرض الصفحات بشكل مشابه لنمط من الكلمات المتقاطعة. وتلتقي هذه الحزمةُ حزمةً أخرى (وتعرف باسم حزمة المرجع) في البلورة التي تسجل نمط التداخل الناتج. ويغير الماسح الميكانيكي زاوية حزمة المرجع قبل أن يتم تسجيل صفحة أخرى. ويمكن استرجاع أية صفحة مخزونة بإضاءة الهولوگرام بحزمة المرجع التي استعملت لتسجيلها، وتُقرأ الصفحة المتشكلة عن طريق أدوات القرن الشحني charged coupled devices التي تولد تيارا متناسبا مع كمية الضوء الواصلة إليها.

 

كما استُعمِلت تجربة مماثلة لخزن عشرة آلاف صفحة وضع معظمها في بلورة واحدة، يبلغ قياس كل صفحة من هذه الصفحات 220×320 بتة. وهكذا يمكن أن تخزن المنظومة نحوا من مئة مليون بايت (مئة ميگا بايت)، حيث أجرينا هذه التجربة عام 1993 في معهد كاليفورنيا للتقانة بالتعاون مع <G  .بار>.

 

كان معظم العشرة آلاف هولوگرام المخزونة عبارة عن أنماط ثنائية عشوائية المواضع بشكل مماثل للبيانات التي يمكن خزنها في حاسوب عادي. وبلغت نسبة معدل الخطأ (قبل التصحيح) بتة واحدة من مئة ألف بتة تقريبا. يكفي هذا المعدل لخزن بيانات الصور ولا سيما إذا لم تكن مضغوطة أو معالجة (بطريقة أو بأخرى) بهدف تقليل عدد البتات اللازمة لتمثيل الصورة. وقد تضمنت الصفحات عدة صور لوجوهٍ ولشعارِ معهد كاليفورنيا للتقانة بغية البرهان على إمكان دمج الصور مع البيانات بسهولة في ذاكرة هولوگرافية. ولا تملأ المعلومات الموجودة في عشرة آلاف هولوگرام إلا ثُمْن السعة المتوافرة في قرص مدمج عادي. لكن يمكن صنع ذاكرات هولوگرافية ذوات سعة أكبر من ذلك بكثير من خلال خزن الهولوگرامات في مواضع متعددة من البلورة. وقد بيَّنّا مثلا أن منظومة تحوي عشرة آلاف صفحة من البيانات قد خُزنت في موضع من بين ستة عشر موضعا بحيث يصل مجموعها الكلي إلى 160000 هولوگرام.

 

في عام 1994 قام كل من <F.J.هينيو> و<C.M. باشو> و <L.هِسلينك> (وهم من جامعة ستانفورد) بخزنٍ رقميٍّ لصورٍ مضغوطة وبيانات ڤيديوية في ذاكرة هولوگرافية واسترجعوا المعلومات من دون أيِّ فقد يُذْكر في جودة الصورة. وقد خزنوا 308 صفحات تتضمن كل منها 1592 بتة من البيانات الخام في أربعة مواضع مختلفة في البلورة ذاتها. وقد جمع فريق ستانفورد بين بضع تقانات منها الإلكترونية ومنها الضوئية للتحكم في معدلات الخطأ بالبتات. فعلى سبيل المثال، أضافوا بتات قليلة إلى كل مجموعة من ثماني بتات لتصحيح بتة خاطئة واحدة في أي مكان من المجموعة. وقد أنقصت طريقة تصحيح الخطأ هذه معدل الأخطاء من نحو بتة واحدة في كل عشرة آلاف بتة أو أقل من ذلك إلى نحو بتة واحدة في كل مليون بتة.

 

يمتاز الخزن الهولوگرافي أيضا بسرعة الوصول العشوائي إلى المعلومات من دون استخدام أية أداة ميكانيكية في ذلك. فمثلا يمكن استخدام أمواج صوتية عالية التردد في الأجسام الصلبة لحَرْفِ حزمةٍ مرجعيةٍ ضوئيةٍ بهدف انتقاء وقراءة أية صفحة من البيانات في زمن من مرتبة عشرات المكروثوان، مقارنة بالزمن القياسي لحركات الرأس الميكانيكي المستخدم حاليا في الأقراص الضوئية والمغنطيسية الذي يبلغ عشرات الملي ثوان. صمم <M.J.هونگ> و<I.ماك ميكايل> (من شركة Rockwell في كاليفورنيا) منظومة مدمجة قادرة على خزن ألف هولوگرام في موضع من بين عشرين موضعا. وهكذا يمكن الوصول إلى أية صفحة في أقل من أربعين مكرو ثانية واسترجاع بياناتها من دون أي خطأ يذكر.

 

عربة تتجول بوساطة الهولوگرامات حول مختبر المؤلفيْن في معهد كاليفورنيا للتقانة. تُظهر كل صورة من سلسلة الصور المعروضة هنا ما تراه آلة التصوير الڤيديوي المحمولة على العربة (الصورة الرئيسة) مع صورة أخرى (الصورة المدرجة) مرسلة من الذاكرة الهولوگرافية إلى آلة صغيرة موضوعة على العربة. وتتم حركة العربة (المبينة في الأعلى) من خلال توجهها بنحو تتماثل فيه صورتها في آلة التصوير مع الصورة المخزنة في ذاكراتها. وتبين الأضواء الموجودة في الصورة المدرجة الصغيرة مدى تزامن صورتين متعاقبتين. وفي هذه السلسلة تتعرف العربةُ دراجةً ثم تقترب منها في مناورةٍ هدفُها مطابقة الصورة التي ستراها بعد الانعطاف نحو اليسار، مع الصورة المخزنة في ذاكرتها.

 

پوليمرات واعدة

استعملت الاختبارات الحديثة بلورة من نيوبات الليثيوم المشابة بكمية ضئيلة من الحديد مثلما حدث في التجارب الأصلية في السبعينات. عندما يسلَّط نمط ضوئي على هذه البلورة ـ مثل هولوگرام ناشيء عن تقاطع حزمتين ليزريتين ـ ترتحل الجسيمات المشحونة كهربائيا إلى داخل البلورة لتوليد حقل كهربائي داخلي يوافق تضمينه modulation  إلى حد كبير تضمين النمط الضوئي. تتوقف طريقة انعراج الضوء في البلورة على هذا الحقل الكهربائي، فعندما يُسلَّط الضوء على البلورة مرة ثانية بالزاوية الملائمة ينعرج الضوء بحيث يُسترجع الهولوگرام الأصلي من جديد. وتعرف هذه الظاهرة باسم مفعول الانكسار الضوئي، [انظر: “The

 Photorefractive Effect” by D. M. Pepper – J. Feinberg – N. V. Kukhtarev; Scientific American, October 1990].

 

تَوافَر نوع آخر من المادة الهولوگرافية للمرة الأولى عام 1994 عندما أنتجت شركة Du Pont مادة تسمى الپوليمر الضوئي Photopolymer. تعاني هذه المادة تغيرات كيميائية بدلا من تغيرات الانكسار الضوئي عند تعريضها للضوء. ولا تثار الشحنات الكهربائية فيها وتكون التغيرات الكيميائية الضوئية دائمة، ولكن لا يمكن مسح المعلومات وإعادة كتابتها من جديد. وهكذا لن تصلح هذه المادة إلا في ذاكرات كتابة مرة واحدة أو في ذاكرات قراءة فقط. ومع ذلك تتمتع هذه المادة بفعالية انعراج تفوق بألفين وخمسمئة مرة بلورةً من نيوبات الليثيوم لها الثخانة ذاتها. وقد اشترك واحد منا (پسالتيس) مع <A.پو> (من معهد كاليفورنيا للتقانة) و <K.كورتيس> من (مختبرات بِل التابعة للشركة AT&T) في تجربة تمَّ فيها خزن ألف صفحة من أنماط بتات في غشاء پوليمري ثخانته مئة مِكرون واسترجعوا البيانات من دون اكتشاف وجود أي خطأ يذكر.

 

وفي السنوات الأخيرة بدأ باحثون في الشركة IBM وفي جامعة أريزونا، تجاربهم على أغشية پوليمرية تحمل خواص مفعول الانكسار الضوئي مثلما هي الحال في بلورات نيوبات الليثيوم. وقد حصلوا على نتائج واعدة على الرغم من أن التطور في المواد الهولوگرافية المتبلمرة لم يصل بعد إلى مستوى يُسمح فيه بصرف النظر عن بلورة نيوبات الليثيوم التي أظهرت مؤخرا مرونة استعمال أكبر. وقد أصبحت بلورات نيوبات الليثيوم المشابة بآثار قليلة من السيريوم والحديد (وهي بلورات أكثر حساسية للضوء الأحمر منها للضوء الأخضر) متوافرة تجاريا. وأشار هؤلاء الباحثون إلى الطريقة التي تُمْكن بها الطباعة ضمن البلورات باستعمال ليزرات أشباه الموصلات الصغيرة القد والرخيصة الثمن بدلا من ليزرات الضوء الأخضر أو الأخضر المزرق الأكثر كلفة.

 

اقتباس وتجديد

ليست بلورات نيوبات الليثيوم المشابة بالحديد والمستعملة في التجارب الأخيرة هي المظهر الوحيد الباقي للتجارب الأولى التي أجريت قبل عقدين من الزمن، فمازالت ليزرات الأرگون مألوفة الاستعمال حاليا ومازال استعمال طريقة تعاقب الزاوية مستمرا إلى اليوم، فما التغيرات التي سببت عودة الاهتمام بخزن المعلومات هولوگرافيا؟

 

كان أهم عامل لذلك هو التقدم الهام لصناعة الإلكترونيات الضوئية التي أنتجت أجهزة مدمجة القدِّ وذات فعالية عالية وثمن رخيص تعد ضرورية لعمل ذاكرات هولوگرافية على نطاق واسع واستعمال هذه الذاكرات في الحواسيب الرقمية. فمثلا يمكن استعمال ليزرات أشباه موصلات صغيرة القد تصدر ضوءا أحمر (المستعملة أصلا في الاتصالات بالألياف الضوئية) كمنابع ضوئية إما في بلورة نيوبات الليثيوم المشابة بالسيريوم والحديد أو في الپوليمر الضوئي للشركة Du Pont، حيث يمكن لمكشاف يتألف من صفِفات كبيرة القد (المصنوع أساسا من أجل الاستعمال في آلات التصوير التلفزيوني، وهي تلتقط صورة ضوئية وتحولها إلى إشارة إلكترونية) أن يقرأ مخرجات (خَرْج) الذاكرة. أما شاشات العرض من نوع البلورات السائلة (التي صُمِّمَت أصلا للاستعمال في آلات العرض الڤيديوي) فتُستعمل كأجهزة مدخلات (دَخْل) تولد أنماطا شفافة وداكنة لتمثيل صفحات من البيانات.

 

وقد مكَّن هذا التقدم التقاني من إجراء التجارب الحديثة حول الذاكرة، وهذا ما ساعد بدوره على القيام ببحوث جديدة في فيزياء الخزن الهولوگرافي للبيانات. فمثلا مازالت مسألة ضجيج اللغط crosstalk noise (وهو عبارة عن قراءة جزئية تلقائية وغير مطلوبة للبيانات المخزنة) في الذاكرات الهولوگرافية معلَّقة منذ مدة طويلة. يُولِّد ضجيج اللغط صورا باهتة وشبحية متراكبة مع كل الصفحات المخزنة عند عملية استرجاع صفحة واحدة. وقد أصبح ضجيج اللغط ومصادره أمرا مفهوما تماما، وهذا ما سيتيح لنا حساب تأثيره في أي تسجيل بحيث يمكن إلغاء هذا التأثير من خلال تغيير مُعامِلاتٍ مثل الزاوية بين حزمتي المرجع والإشارة والزاوية بين الحزم المرجعية في عملية التسجيل التعاقبي ومن خلال الخواص الهندسية لصفحة البيانات.

 

وانطلاقا من نتيجة أخرى للبحوث النظرية تم تطوير طرائق تعاقبية جديدة وتحسين الطرائق الراهنة. ويمكن أن تحل كل هذه الطرائق محل طرائق تعاقب زاوية الإرسال أو تتممها، تاركة لمصمم المنظومة اختيارات أفضل. وفي إحدى التجارب التي أُجريت بشكل منفصل في جامعة ولاية پنسلڤانيا وفي معهد كاليفورنيا للتقانة سُجِّلت صفحات متوالية بوساطة حزم مرجعية ذات أطوال موجية مختلفة، وقد بُرهِن أيضا على إمكان تسجيل حزم مرجعية مكوَّدة بأنماط مختلفة في كل صفحة في جامعة كاليفورنيا بسان دييگو وبشكل منفصل في معهد الضوئيات في أورسيه بفرنسا.

 

يخزن قفل هولوگرافي ما يربو على ألف بصمة إصبع. ومن أجل دخول شخص إلى غرفة معينة فإنه يضع إصبعه على لوح زجاجي، ويسمح له بالدخول إذا ماثلت بصمة إصبعه إحدى البصمات المخزنة (على شكل هولوگرامات) في الذاكرة. تقلل الذاكرةُ السريعة التأخيرَ الحاصل من جراء استقصاء المنظومة عن تطابق البصمتين. يطوَّر هذا النوع من الأجهزة الآن في الشركة اليابانية Hamamatsu وتُستخدم فيه الذاكرة الهولوگرافية المبينة التي أنتجتها الشركة Holoplex.

 

زيادة مقدار الخزن

على الرغم من الاهتمام بتحسين طرائق التعاقب، فإن الوسائل الأساسية لزيادة استيعاب البيانات ستكون ضرورية إذا كان على الذاكرات الهولوگرافية أن تحل محل الأقراص المدمجة. وإذا كانت الذاكرات الهولوگرافية قد أصبحت حاليا أسرع بكثير من منظومات الأقراص المدمجة فإن السرعة لا تكفي لكي تحل تقانة جديدة محل تقانة راسخة الجذور، فما نحتاج إليه إذًا هو ميزة أساسية أخرى مثل القابلية لخزن كمٍّ أكبر من البيانات.

 

تسعى إحدى طرائق زيادة كمية البيانات المخزونة في الذاكرة الهولوگرافية إلى رصف سطح ثنائي البعد ببلورات مكعبة الحجم (وهذه الطريقة تدعى التعاقب المكاني spatial multiplexing). ومن المتوقع أن يتناسب استيعاب هذه المنظومة مع عدد المكعبات، حيث تخزن البيانات في هذه المكعبات بالطريقة المعتادة، أي من خلال الهولوگرامات المتعاقبة الزاوية.

 

ولعل الجزء الأكثر صعوبة للصنع في هذه المنظومة هو تركيبتها الضوئيةoptical assembley الذي تجب فيه القدرة على التوجه نحو أي مكعب من المكعبات بصورة منفردة. وأحد هذه التركيبات هو القرص الثلاثي الأبعاد الذي يشبه القرص المدمج المألوف. توضع مادة التسجيل (الممدودة على شكل قرص) على منصة دوَّارة ويوضع فوقها جهاز ليزري قاريء وكاتب (رأس الجهاز)، حيث يمكن دوران القرص والمسح القطري لرأس الجهاز من إضاءة أي جزء من القرص، كان پسالتيس قد اقترح هذه الفكرة عام 1992 وصممها پو في معهد كاليفورنيا للتقانة في بداية عام 1995.

 

بشكل مشابه لأي وسط هولوگرافي تخزن البيانات في كامل حجم طبقة التسجيل في القرص الثلاثي الأبعاد. يحمل رأس جهاز القراءة والكتابة صفيف مكشاف لقراءة صفحة كاملة من البيانات وله أيضا حزمة حارفة هدفها عمل تعاقب الزاوية، ويمكن أن يدمج في رأس الجهاز مضمَّن مكاني للضوء spatial-light modulator بغرض طبع صفحة البيانات على حزمة الإشارة (مثلما عليه  الحال في شاشات عرض البلورات السائلة المألوفة الاستعمال).

 

وعلى الرغم من أن القرص الثلاثي الأبعاد يُخزِّن المعلومات في الأبعاد الثلاثة، فإنه يستطاع حساب عدد البتات الممكن خزنها نظريا في مكرون مربع واحد من سطح القرص بغرض مقارنة الكثافة في هذه المساحة بالمساحة نفسها في قرص مدمج عادي. ولا تُستغرب هذه المقارنة، فثخانة القرص الثلاثي الأبعاد قريبة من ثخانة القرص المدمج. ومن أجل ثخانة تبلغ قيمتها أقل من ملِّيمترين تكون الكثافة السطحية للقرص الهولوگرافي مساوية تقريبا إلى ثخانة وسط التسجيل. وقد استطاع پو الوصول إلى كثافة سطحية قدرها عشر بتات في المكرون المربع في قرص مصنوع من غشاء پوليمري رقيق ثخانته مئة مكرون (وهي القيمة العظمى التي يمكن أن تصل إليها ثخانة هذا الپوليمر)، حيث تبلغ هذه الكثافة زهاء عشرة أضعاف كثافة قرص مدمج عادي.

 

وبوسعنا زيادة الكثافة السطحية أكثر من ذلك من خلال زيادة ثخانة الطبقة الهولوگرافية، وهكذا سيكون ممكنا خزن كثافة مقدارها مئة بتة في المكرون المربع ضمن مادة تبلغ ثخانتها مليمترا واحدا، وسيكون هذا القرص الثلاثي الأبعاد مماثلا تقريبا في القدِّ والوزن لقرص مدمج عادي، غير أنه بوسع القرص الثلاثي الأبعاد خزن معلومات أكبر بمئة مرة من القرص المدمج العادي.

 

ومن الشركات التي تتبع هذه التقانة الأساسية الشركة Holoplex، وهي شركة صغيرة ناشئة تشاركنا في تأسيسها في مدينة پاسادينا (كاليفورنيا). وقد صنعت هذه الشركة منظومة ذاكرة عالية السرعة قادرة على خزن نحو ألف بصمة إصبع تُستعمل كنوع من القفل الانتقائي لقصر الدخول إلى أبنية أو صالات معينة على أصحاب البصمات المخزنة في الذاكرة. ومع أن قدرة استيعاب هذه المنظومة تساوي تقريبا نصف قدرة استيعاب قرص مدمج فإنه يمكن قراءة كامل محتوياتها خلال ثانية واحدة. وتسعى الشركة Holoplex الآن إلى صنع منتج آخر يمكنه خزن زهاء ترليون بتة (الترليون يساوي مليون مليون)، أي أكثر مئتي مرة تقريبا مما يمكن وضعه في قرص مدمج عادي.

 

ذاكرة مرفقة

في انتظار تسويق هذا القرص المدمج “الفائق المواصفات” تسويقا تجاريا، يمكن استعمال الذاكرات الهولوگرافية في منظومات متخصصة عالية السرعة، كما يمكن أن يَستغل بعضها الطبيعة المرفقة associated بالخزن الهولوگرافي، وهي خاصة وصفها <D.گابور> عام 1969 الذي حاز جائزة نوبل في الفيزياء عام 1971 عن اختراعه للهولوگرافي (التصوير التجسيمي).

 

يمكن استعمال أية حزمة من الحزمتين اللتين تداخلتا لتوليد الهولوگرام في إنشاء الحزمة الأخرى. وهذا يعني أنه في ذاكرة هولوگرافية إضافة إلى إمكان توجيه حزمة المرجع إلى البلورة بزاوية معينة لانتقاء صفحة هولوگرافية معينة، يمكن تحقيق العملية المعاكسة؛ إذ تولد إضاءة بلورة بإحدى الصور المخزونة شَبَهًا لحزمة المرجع المرفقة بهذه الصورة، والتي تسترجع على شكل موجة مستوية صادرة بالزاوية الملائمة عن البلورة.

 

ويمكن استعمال عدسة من أجل مباءرة هذه الموجة في بقعة ضوئية صغيرة يتعين موضعها الجانبي بوساطة زاوية ورود الموجة، كاشفة بذلك عن ماهية الصورة الواردة على البلورة. وإذا أضيئت البلورة بوساطة هولوگرام مختلف عن الأنماط المخزَّنة في البلورة فسنحصل على حزم مرجعية متعددة، وبالتالي على عدد من البقع الضوئية المباءرة. ويتناسب سطوع كل بقعة ضوئية مع درجة التشابه بين الموجة الواردة على البلورة وكل نمط من الأنماط المخزونة. وبعبارة أخرى، تشكل مجموعة النقاط مكوِّدًا للصورة الواردة بدلالة تشابهها مع قاعدة بيانات الصورة المخزونة في البلورة.

 

وقد استعمل پو و پسالتيس ومعهم <R. دنكيولتر> في بداية عام 1995، ذاكرة هولوگرافية من هذا النوع لقيادة عربة صغيرة خلال الممرات والمختبرات في مبنى كلية الهندسة الكهربائية بمعهد كاليفورنيا للتقانة. وقد خزنوا صورا مختارة من الممرات والغرف في ذاكرة هولوگرافية موصولة بحاسوب موضوع على طاولة مختبر، حيث تُنقل هذه الصور إلى العربة عن طريق اتصال راديوي. وقد زودتنا آلة التصوير التلفزيوني الموجودة في العربة بما يحصل حولها، وحين تتحرك العربة يقارِن الحاسوب صورة آلة التصوير مع صور الذاكرة الهولوگرافية [انظر الأشكال في الصفحتين 22 و 23]. وحال استطلاع الحاسوب لمنظر مألوف يوجه العربة وفق بعض المسارات الموصوفة التي يظهر كل منها كسلسلة من الصور التي تُسترجع من الذاكرة. وقد خُزن في الذاكرة نحو ألف صورة، إلا أن 53 صورة منها فقط كانت ضرورية (كما تبين لاحقا) لقيادة العربة عبر العديد من غرف المبنى.

 

ونقوم حاليا بتصميم عربة مختلفة نأمل في تزويدها بعدد كبير من الذاكرات بحيث يكفي لانتقالها وتجولها بشكل مستقل في أي مكان ضمن المجمَّع الجامعي. وعلى الرغم من أن سعة الذاكرات في هذه الحالة ستكون كبيرة فإن توازي الذاكرة الهولوگرافية سيسمح بخزن المعلومات التي يجب استرجاعها بسرعة كافية لاستمرار حركة العربة في المسارات وفي تجنب العوائق. وفي الحقيقة، يمكن أن تكون قيادة مثل هذه العربات أحدَ التطبيقات المخصَّصة لتوليد القوة الدافعة الضرورية لجعل استعمال هذه التقانة سائدا.

 

وقد يستغرق قبول ذلك سنين طويلة، ولكن مع تزايد ضرورة خزن كميات هائلة من البيانات فإن خزن المعلومات في الأبعاد الثلاثة سيصبح مفضلا على خزنها في بعدين.

 

 المؤلف

Demetri Psaltis – Fai Mok

بدآ العمل معا في معهد كاليفورنيا للتقانة. پسالتيس هو أستاذ الهندسة الكهربائية والمدير التنفيذي للحوسبة والمنظومات العصبية في معهد كاليفورنيا للتقانة، حيث تشمل اهتماماته البحثية مجالا يجمع بين الضوئيات والمعلوماتية. عمل پسالتيس على نطاق واسع في الحواسيب الضوئية، وقام بعمل رائد في مجال تعيين التشابه بين الهولوگرافي والشبكات العصبية التكيفية. وفي عام 1989 منح جائزة الجمعية الدولية للضوئيات، وهو حاصل على الدكتوراه من جامعة كارنيگي مِلون. أما موك فهو رئيس الشركة Holoplex التي تشارك مع پسالتيس في تأسيسها عام 1993. حصل موك على الدكتوراه عام 1989 بإشراف پسالتيس في موضوع معالجة الإشارة الثنائية. ويتركز اهتمامه منذ عام 1988 على خزن المعلومات هولوگرافيا وعلى معالجة هذه المعلومات.

 

مراجع للاستزادة 

PARALLEL OPTICAL MEMORIES. Demetri Psaltis in Byte, Vol. 17, No. 9, pages 179-182; September 1992.

ANGLE-MULTIPLEXED STORAGE OF 5000 HOLOGRAMS IN I1THIUM NIOBATE. Fai H. Mok in Optics Letters, Vol. 18, No. 11, pages 915-917; June 1993.

THREE-DIMENSIONAL HOLOGRAPHIC DISKS. Hsin-Yu Sidney Li and Demetri Psaltis in Applied Optics, Vol. 33, No. 17, pages 3764-3774; June 10, 1994.

SELECTED PAPERS ON HOLOGRAPHIC STORAGE. Edited by Glenn T. Sincerbox. SPIE Milestone Series, Vol. MS 95. SPIE Optical Engineering Press, 1994.

VOLUME HOLOGRAPHIC MEMORY SYSTEMS: TECHNIQUES AND ARCHITECTURES. John H. Hong, Ian McMichael, Tallis Y. Chang, William Christian and Eung Gi Paek in Optical Engineering, Vol. 34, No. 8, pages 2193-2203; August 1995.

Scientific American, November 1995

 

(1) هو مقدار الذاكرة اللازمة لخزن حرف (أو رقم أو علامة ترقيم). وهو يساوي ثماني بتّات.                     (التحرير)