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央视新闻2月22日报道，近日，中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“上海光机所”）与上海理工大学等科研单位合作，在超大容量三维超分辨光存储研究中取得突破性进展。研究团队利用国际首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，实验上首次在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量达Pb量级，对于我国在信息存储领域突破“卡脖子”障碍、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。相关研究成果于2024年2月22日发表于《自然》（Nature）杂志。 据上海理工大学，科研人员利用双光束技术突破光学衍射极限的限制，首次证实可以在三维空间实现多至百层的、超分辨尺寸下的信息点的写入和读出，单张盘容量可以高达Pb级，相当于至少一万张蓝光光盘的容量。 也就是说，在这项技术的推动下，存下全球一年数据所需的Pb级光盘的数量相较于硬盘可以减少两个数量级，达到“以一抵百”的效果。
图片来源：上海理工大学 据了解，光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长达50~100年的独特优势，非常适合长期低成本存储海量数据，然而受到衍射极限的限制，传统商用光盘的最大容量仅在百GB量级。在信息量日益增长的大数据时代，突破衍射极限、缩小信息点尺寸、提高单盘存储容量长久以来一直都是光存储领域的不懈追求。
Pb级光盘制备及读写方式示意图 图片来源：央视新闻 1994年德国科学家Stefan W. Hell教授提出受激辐射损耗显微技术，首次证明了光学衍射极限能够被打破，并在2014年获得诺贝尔化学奖，经过20多年的发展，在显微成像、激光纳米光刻等多个领域实现了光学超分辨成果，信息的超分辨写入已经得到了解决。然而传统染料在聚集状态下极易发生荧光猝灭，造成信息的丢失，在纳米尺度下还存在被背景噪声湮没的难题，导致超分辨的信息难以读出，通常依赖电镜扫描的读出方式，限制了超分辨技术在光存储领域中的应用。因此，发展可同步实现超分辨写、超分辨读、三维存储及长寿命介质是10多年来光存储研究领域亟待解决的难题。
超分辨信息记录结果 图片来源：央视新闻 自20世纪80年代，上海光机所干福熹院士开创了我国数字光盘存储技术的研究，上海光机所团队一直深耕光存储领域。依托于丰厚的研究基础和创新技术方案，基于双光束超分辨技术及聚集诱导发光光刻胶材料相结合，在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量约1.6Pb。经老化加速测试，光盘介质寿命大于40年，加速重复读取后荧光对比度仍高达20.5∶1，这是国际上首次实现Pb量级的超大容量光存储。
100层记录和二进制编码译码复原结果 图片来源：央视新闻 从光学显微技术，到当今“卡脖子”技术的光刻机，再到光存储技术，无一不被光学衍射极限所限制。在2021年Science发布的全世界最前沿的125个科学问题中，突破衍射极限限制更是在物理领域高居首位。该超分辨光盘的成功研制在信息写入和读出都突破了这一物理学难题，有助于我国在存储领域突破“卡脖子”障碍，将在大数据数字经济中发挥重大作用，以满足信息产业领域的重大需求。
光盘实物照片 图片来源：央视新闻 据上海理工大学光子芯片研究院院长、张江实验室光计算所所长顾敏院士介绍，该Pb级海量三维纳米光子存储技术是划时代的技术。 以深度学习模型GPT为例，其背后的数据集，如总索引网页数量多达58亿，整个互联网的文本大小约为56Pb，如果还是用1TB容量的移动硬盘去存储这些数据，平铺开来相当于一个标准田径场的面积。而此次科研团队开发的三维纳米光子存储可以将存储空间节省至一台电脑大小，极大地降低了经济成本。 此外，为了维持数据库严苛的运行环境（如恒温恒湿、防磁防尘）需要产生巨大的能耗，以2022年为例，我国数据中心总耗电量约2700亿千瓦时，超过2座三峡水电站的年发电量。尤其令人头疼的是，每隔3到10年还需要定期进行数据迁移，这样就存在数据被篡改或丢失的风险，且存储寿命短。此次科研团队开发的光子存储技术可以把耗能降低几个数量级，寿命可达50到100年。 |
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