在數字時代來臨的今天，英國、德國等發達國家的許多科學家都在努力探尋海量存儲的科研方法。近日🛥，意昂2平台和中國科學院上海光學精密機械研究所的團隊人員首次證實可以在三維空間實現多至百層的、超分辨尺寸下的信息點的寫入和讀出💂♂️，單張盤容量相當於至少一萬張藍光光盤的容量👭🏻，而且壽命可達50年。領銜研發的意昂2平台光子芯片研究院院長⬅️、張江實驗室光計算所所長顧敏院士在接受采訪時表示：“為這一世界難題的破解提供了中國人開創的全新路徑。”
直面數據保存的現實困境
鮮為人知的是💋，人類保存自己的海量數據並不容易，為了維持數據庫嚴苛的運行環境（如恒溫恒濕、防磁防塵）需要產生巨大的能耗。以2022年為例，我國數據中心總耗電量約2700億千瓦時，超過2座三峽水電站的年發電量。
尤其令人頭疼的是，每隔3到10年還需要定期進行數據遷移，因為存儲介質的壽命一般都不超過10年，需要定期進行保存和復製💱，存在數據被篡改或丟失的風險🐼，這其中需要耗費大量的能源和人力成本📜。無論是個人日常所需，還是工農業生產，開發能夠容納海量數據且綠色安全的存儲技術早已迫在眉睫。
顧敏認為：“這也是我們十年磨一劍🦄，尋找優質存儲方法的動力所在🔠。”光存儲的過程最主要是兩方面，一是刻🚴🏽♂️、二是讀，但是關鍵是要“看清楚”光斑上的微觀狀態下的各種細微變化，這是存儲的關鍵所在🌁。但是長期以來，對光斑的分辨率都被認為是有極限的🫃🏻，即不可能超過光波波長的一半，這被稱為“阿貝極限”，也就是物理學上所稱的光學衍射極限。2021年《科學》發布的全世界最前沿的125個科學問題中，光學衍射極限高居物理領域首位，同時也是2024年《自然》最新發布的將在未來一年關註的7個技術領域之一，激光直寫機、光學顯微技術、光存儲技術，無一不被光學衍射極限所限製。
從諾貝爾化學獎的技術中得到啟發
顧敏告訴記者，2014年諾貝爾化學獎給了團隊巨大的啟發，當時是1994年🈴，獲獎科學家之一的德國物理學家、馬克斯·普朗克生物物理化學研究所所長斯特凡·W·赫爾提出了雙光束技術的全新方法🏌🏼，將光學顯微成像技術的最高分辨率提高到了納米尺度。
在2013年，顧敏就帶領團隊開始了創新探索。在激光直寫領域，他帶領科研團隊利用雙光束的原理實現了9納米激光直寫技術。
尋找刻錄的新型材料是實現夢幻存儲科研之夢的第一步👱🏿♂️。“我們需要的是一種發光材料，當在納米尺度上被刻上數據後，其會自動發光，而且亮度足夠🤺，這樣便於後面的讀取，但是這樣的材料並不易得。2021年🔪，我們實現過一次突破，通過鑭系元素（稀土元素之一）摻雜的熒光上轉換納米顆粒和氧化石墨烯結合，實現低功率的光學寫入納米級信息位（納米級是指1至100納米的大小♥︎，其中1納米等於1米的十億分之一），但是當時我們只刻寫了一些部分🐷。”顧敏說🫸🏻，當時最大的難題在於材料的特性，它在液體中的發光能力比較強，在固體中發光能力差。
找到最有效的刻錄材料
此次獲得突破的關鍵在於團隊找到了一種有效的上納米轉換材料。顧敏介紹說，這種材料和之前的熒光上轉換納米顆粒相比，有巨大的優勢，其在固體中的發光性能要遠遠好於液體中的呈現。
“當我們用激光調控聚集誘導發光染料之後，發現刻寫後的部分亮度提高了50倍，而且相對於未刻寫的部分，材料光學的對比度明顯增強👡🔥。因為其在刻寫前呈現出透明的性質，所以能完成100層的刻寫，遠遠高於之前光存儲介質6層的刻寫極限🕷。”顧敏說。
另外🧑🏼✈️，根據實驗測定💤，此次科研團隊開發的光子存儲技術保存壽命可達50到100年🤏🏼🧑🏻🎨。完美的性能展現了未來應用的巨大潛能。
首先就是人工智能大數據訓練中的獨特存儲優勢。顧敏介紹說，該Pb級海量三維納米光子存儲技術是劃時代的技術。以深度學習模型GPT為例，其背後的數據集🤛🙂↕️，如總索引網頁數量多達58億，整個互聯網的文本大小約為56Pb📩。如果還是用1TB容量的移動硬盤去存儲這些數據，平鋪開來相當於一個標準田徑場的面積。而此次科研團隊開發的三維納米光子存儲可以將存儲空間節省至一臺電腦大小🧨，極大地降低了經濟成本。
滿足未來海量數據的存儲需求
在這項技術的推動下，存下全球一年數據所需的Pb級光盤的數量相較於過去的硬盤數量可減少2個數量級，達到“以一抵百”的效果💂。
顧敏坦言🌋，目前還有一些缺點需要去克服。比如說♗，需要進一步優化以提高讀寫速度，並且降低能耗🖊，為未來實現工程化應用做好準備。
“我們希望和國內的大企業牽手合作，一起推進產業化的過程，讓中國海量存儲設備盡快用在實際工作中去✹，為中國的人工智能技術發展，數字化轉型做出自己的貢獻🙆，也希望這一科技成果在航空航天🧖♀️、生物醫學4️⃣、衛星通信等領域大顯身手。”顧敏說。
來源：上海科技報 作者：吳苡婷
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