開啟綠色海量光子存儲新紀元！上海理工大學最新成果登上《自然》正刊

　　“才拍了幾張照片，我的手機内存又滿了。”“我的電腦硬盤空間滿了，又得去買外接硬盤了”……這些習以為常的“困擾”背後，是人們越來越高的數據存儲需求。而這些日常“小煩惱”隻是數據存儲困擾的冰山一角——根據數據存儲專業機構出具的白皮書顯示，到2025年全球數據總量将由2018年的33ZB增加到175ZB(ZB即“澤字節”，1ZB等于10億TB，即太字節)，如果用時下比較主流的1TB容量的移動硬盤裝這些數據，則至少需要使用1750億個。這樣不僅成本高昂，而且數據存儲的壽命短。因此無論是個人日常所需，還是工農業生産，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。

　　近日，顧敏院士領導的上海理工大學和中科院上海光學精密機械研究所的團隊人員利用光存儲技術提出了綠色、長壽命、大數據存儲解決方案，研究成果以“Pb容量三維納米光子存儲”(A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity)為題，發表在《自然》(Nature)正刊上。科研人員利用雙光束技術突破光學衍射極限的限制，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，單張盤容量可以高達Pb級，相當于至少一萬張藍光光盤的容量。也就是說，在這項技術的推動下，存下全球一年數據所需的Pb級光盤的數量相較于硬盤可以減少兩個數量級，達到“以一抵百”的效果。

　　上海理工大學光子芯片研究院院長、張江實驗室光計算所所長顧敏院士，上海理工大學文靜教授，上海光學精密機械研究所阮昊研究員為通訊作者。中科院上海光機所趙苗博士後和文靜教授為該成果并列第一作者。

　　據顧敏院士介紹，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，平鋪開來相當于一個标準田徑場的面積。而此次科研團隊開發的三維納米光子存儲可以将存儲空間節省至一台電腦大小，極大地降低了經濟成本。

　　此外，為了維持數據庫嚴苛的運行環境(如恒溫恒濕、防磁防塵)需要産生巨大的能耗，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，這樣就存在數據被篡改或丢失的風險，且存儲壽命短。此次科研團隊開發的光子存儲技術可以把耗能降低幾個數量級，壽命可達50到100年。

　　這一颠覆性成果的提出源于團隊突破了光學衍射極限的限制——像激光直寫機、光學顯微技術、光存儲技術，無一不被光學衍射極限所限制。“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》最新發布的将在未來一年關注的7個技術領域之一。可以說，我們團隊拼上了這一領域的‘珠穆朗瑪峰’。”

　　基礎研究領域的突破絕非一日之功，早在2013年，顧敏院士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。此次發表在《自然》雜志上納米光子存儲技術的提出，不僅在光存儲領域成功突破了光學衍射極限這一物理學難題，有助于我國在存儲領域實現突破，也将在航空航天、生物醫學、衛星通信等領域大顯身手。

　　相關論文信息

　　https://doi.org/10.1038/s41586-023-06980-y

　　https://www.nature.com/articles/s41586-023-06980-y