Was ist „5D-optischer“ Speicher
Der Begriff „5D“ bezeichnet keine physische „fünfte Dimension“. Er beschreibt eine Methode der Datenkodierung, bei der jedes Speicherelement — ein Voxel — Informationen in fünf Freiheitsgraden trägt: drei räumliche Koordinaten (X, Y, Z) und zwei optische Anisotropieparameter — die Orientierung der „langsamen Achse“ (slow-axis azimuth) und die Größe der optischen Retardation (retardance). Diese Parameter entstehen durch selbstorganisierte Nanostrukturen (Nanolamellen/Nanogitter), die durch die Fokussierung von Femtosekundenlaserpulsen im Inneren von Quarzglas erzeugt werden. Das Auslesen erfolgt mittels Polarisationsmikroskopie, die für jedes Voxel Orientierungs- und Retardationskarten ermittelt.
Wie
es funktioniert: Physik und Technologie
Schreiben. Ultrakurze (~10⁻¹⁵ s) Laserpulse werden im Glas fokussiert und erzeugen gerichtete Nanostrukturen in Mikrovolumina. Durch Steuerung von Polarisation und Intensität des Laserstrahls lassen sich Orientierung und Retardation unabhängig festlegen, wodurch mehrere Bits in einem einzigen Voxel gespeichert werden können. Frühe Implementierungen nutzten sequentielles „Scan“-Schreiben; später wurden räumliche Lichtmodulatoren (SLM) und parallele Projektionen über DMD (digitale Mikromirrorgeräte) eingeführt.
Lesen. Aufgrund der doppelbrechenden Eigenschaften der Nanostrukturen werden Daten durch polarisationsbasierte Messungen (Mikroskop + Retardationsanalysator) ausgelesen, ohne den Datenträger zu beschädigen. Zwischen 2013 und 2016 wurde der vollständige „Schreiben–Lesen“-Zyklus für digitale Dateien erfolgreich demonstriert.
Ursprung und Zeitachse
— 1996, Harvard (Mazur et al.): Erste Demonstration der 3D-Datenspeicherung in transparenten Materialien mittels Femtosekundenpulsen — theoretische und experimentelle Grundlage moderner 5D-Ansätze.
— 2009, Swinburne (Gu, Zijlstra, Chon): Erste „fünfdimensionale Speicherung“ in plasmonischen Medien (Goldnanostäbe), die multidimensionale Kodierung demonstrierte (Raum + Polarisation + Wellenlänge).
— 2010, Kyoto/Southampton (Hirao, Kazansky et al.): Entdeckung der ultraschnellen Manipulation von Formanisotropie in Glas (selbstorganisierte Nanogitter), was multibitäre Speicherung in Quarz realistisch machte.
— 2013, Universität Southampton (ORC, P. G. Kazansky): Erste Demonstration des echten 5D-Schreibens und -Lesens in Glas; die Orientierung der langsamen Achse und die Retardation dienen als „vierte“ und „fünfte“ Informationsdimension zusätzlich zu XYZ. Behauptete Eigenschaften: bis zu ~360 TB pro Disk, thermische Stabilität bis ~1000 °C und „praktisch unbegrenzte“ Lebensdauer bei Raumtemperatur.
— 2016, ORC: Popularisierung des „Eternal 5D Data Storage“-Konzepts mit Fokus auf Langlebigkeit und Auslesbarkeit durch Polarisationsmikroskopie.
Wichtige Meilensteine nach der Etablierung
— 2018: Der „5D-Kristall“ wird als Speichermedium für ultralange Archivierung positioniert; Demonstration: Speicherung eines Archivs in einem Quarzkristall für eine Weltraummission (Kontext Falcon Heavy/Tesla Roadster), als Symbol extremer Haltbarkeit.
— 2021: Methode der Hochgeschwindigkeits-Anisotropie-Nanostrukturierung (Optica): Schreibgeschwindigkeit bis ~10⁶ Voxel/s (~230 kB/s), Kodierung von 4 Bit pro Voxel; Experiment auf einer CD-großen Disk. Geschätzte Kapazität: ~500 TB, jedoch dauert eine vollständige Beschriftung weiterhin Monate.
— 2022: Fehlerfreie 5D-Speicherung über 100 Schichten (Laser & Photonics Reviews): Übergang zu anisotropen Nanoporen mit „geringem Verlust“ (Typ-X), Verbesserung der Lesbarkeit tiefer Schichten und Zuverlässigkeit von Mehrschichtstapeln.
— 2024: Speicherung des vollständigen menschlichen Genoms auf einem 5D-Kristall als Demonstration von Hochwertarchivierung.
— 2025: Paralleles 5D-Schreiben in „Voxelpaketen“ mittels DMD-Projektion (Science Advances, Open Access): experimentelle Kapazität ~1,5 TB auf einer ~5″-Platte; theoretische Schreibgeschwindigkeit bis ~7,5 MB/s bei einem 100-kHz-Laserverstärker; geschätztes Limit dieses Formats ~210 TB.
Ein wichtiger Schritt zur Überwindung des „Flaschenhalses“ der Schreibgeschwindigkeit.
Validierte Parameter
Kapazität. Wissenschaftliche Demonstrationen erreichen bis zu ~360 TB pro 12-cm-Disk (ORC, 2013). Spätere technische Prognosen (2021) schätzen eine theoretische Kapazität von bis zu ~500 TB bei ähnlichen Dichten. Es ist wichtig, zwischen „tatsächlich gespeichertem Volumen“ und „theoretischer Kapazität“ zu unterscheiden.
Haltbarkeit und Stabilität. Quarzglas ist korrosionsbeständig und weist eine hohe optische und thermische Schadensschwelle auf. Für 5D-Nanostrukturen wird Stabilität bis ~1000 °C und eine „praktisch unbegrenzte“ Lebensdauer bei Raumtemperatur angegeben (Degradationsmodelle zeigen Zeiträume von Milliarden Jahren). Neuere Forschung betont die Stabilität anisotroper Modifikationen und den Einsatz verlustarmer Strukturen zur besseren Lesbarkeit tief liegender Schichten.
Schreibgeschwindigkeit. Historisch — einige Dutzend bis Hunderte kB/s. Seit 2021 — etwa 10⁶ Voxel/s (~230 kB/s) bei energieeffizienten Konfigurationen; bis 2025 ermöglichen parallele Methoden theoretisch Geschwindigkeiten von mehreren Megabyte pro Sekunde. Auch die Lesegeschwindigkeit muss erheblich verbessert und standardisiert werden.
Aussehen des Mediums und aktuelle Verfügbarkeit
Das Medium ist eine transparente Glasdisk oder -platte (Quarzglas; oft ~12 cm, „CD-Format“, oder kleinere Platten) und erscheint äußerlich als dünner „Kristall“ ohne sichtbare Muster. Die Daten befinden sich im Volumen und werden durch Polarisationsmikroskopie visualisiert (Orientierungs- und Retardationskarten). Zwischen 2016 und 2025 zeigte die Universität Southampton regelmäßig Fotos von Proben und Polarisationskarten; 2024 wurde ein „Genomkristall“ präsentiert.
Die Kommerzialisierung wird von der ORC-Ausgründung SPhotonix vorangetrieben, die den „5D Memory Crystal“ als Langzeitspeicher (bis zu mehreren Hundert TB) und Archivierungsservice vermarktet. Eine breite Einführung in Rechenzentren steht noch aus, da die Schreibgeschwindigkeit gering ist und es an standardisierten Lesesystemen fehlt.
Wesentliche Unterschiede zu klassischen optischen Datenträgern
Volumetrische statt oberflächenbasierte Speicherung: Tausende von Schichten im Glas anstelle von „Gruben“ auf der Oberfläche. Multibitäre Voxelkodierung durch Polarisation (Orientierung + Retardation) erhöht die Dichte drastisch. Material: Quarzglas mit außergewöhnlicher chemischer und thermischer Stabilität (anstelle von Polycarbonat). Technik: Für das Schreiben und Lesen sind Femtosekundenlaser und hochpräzise Polarisationsoptik erforderlich.
Wo dies veröffentlicht wurde: Primärquellen
Grundlagen der 3D-Speicherung in Glas — Optics Letters (Mazur et al., 1996).
Erste „5D-Speicherung“ in plasmonischen Systemen — Nature (Zijlstra, Chon, Gu, 2009).
Selbstorganisation von Anisotropie in Glas — Advanced Materials (Shimotsuma, Hirao, Kazansky, 2010).
Pionierarbeiten zum 5D-Schreiben und -Lesen in Quarz — ORC/OSA-Berichte (2013) und dazugehörige ORC-Veröffentlichungen.
Demonstrationen der Haltbarkeit — Materialien der Universität Southampton (2016, 2018).
Fortschritte bei Schreibgeschwindigkeit und Datendichte — Optica (2021), Laser & Photonics Reviews (2022), Science Advances (2025).
Anwendungsdemonstrationen (Archive/Genom) — Pressemitteilungen der Universität Southampton (2024).
Einschränkungen und offene Fragen
Geschwindigkeit und Kosten. Selbst mit neuen Ansätzen dauert das vollständige Schreiben einer Disk realistisch gesehen noch Monate; die Geräte sind teuer und erfordern hochqualifizierte Bedienung.
Lesen und Standardisierung.
Es gibt keine Lesegeräte für Endverbraucher; das Auslesen basiert weiterhin auf Polarisationsmikroskopie auf Forschungsebene. Industriestandards für Formate und Kodierung existieren nicht. Wissenschaftliche Demonstrationen (2016–2025) setzen Laboroptik voraus.
Integration in Speicherinfrastrukturen. Für Rechenzentren sind Automatisierung, Schnittstellen und Fehlerkorrektur in Echtzeit entscheidend. Die Forschung läuft (z. B. LPR-2022 über „fehlerfreie“ 100-Schicht-Speicherung), aber das Ökosystem befindet sich noch im Aufbau.
Philosophische Integration in COSMIC
Der 5D-Speicher ist nicht nur eine technische Innovation, sondern verkörpert ein Prinzip, das COSMIC als Norm der Form begreift: Wert bleibt erhalten, wo Struktur der Entropie und der Zeit widersteht. Nanostrukturiertes Glas bietet eine materielle Technologie, die Unterscheidungen über Zeiträume hinweg fixieren kann, die menschliche Epochen übersteigen.
Damit wird „Speicher“ aus der Kategorie vergänglicher Datenträger in die Kategorie der Form verschoben — etwas, das über Aktualisierungen und Marktzyklen hinaus Bestand hat. Für COSMIC zählt nicht nur die Speicherung von Hunderten von Terabyte, sondern die Möglichkeit, Bedeutung über die Zeit hinweg unverändert zu bewahren. Wo Systeme Kompatibilität verlangen, setzt Form eine Grenze; der 5D-Speicher zeigt, dass eine solche Grenze materiell realisierbar ist.
Fazit
Fünfdimensionaler optischer Speicher in nanostrukturiertem Quarzglas ist eine reale experimentelle Technologie mit fundierter wissenschaftlicher Literatur und Demonstrationen (1996–2025). Seine Stärken sind extreme Haltbarkeit und potenziell sehr hohe Datendichte; seine Schwächen sind geringe praktische Schreibgeschwindigkeit, hohe Komplexität und fehlende standardisierte Lesesysteme. Die 2025 demonstrierten parallelen Schreibmethoden bringen ihn näher an Nischenanwendungen für jahrhundertelange Archivierung. Für COSMIC ist dies nicht „nur ein weiteres Speichermedium“, sondern eine technische Grundlage dort, wo Philosophie eine Form erfordert, die Zeit und Umwelt standhält.
Kurz gesagt: warum COSMIC beteiligt ist. COSMIC arbeitet mit Formen, die Unterscheidungen bewahren; der 5D-Speicher ist ein seltenes Beispiel einer solchen Form in materieller Gestalt.