封面新闻记者边雪
数字时代的来临，使得数据需求不断增长，大容量存储技术面临的挑战也随之而来。根据数据存储专业机构出具的白皮书，到2025年，全球生成的数据总量预计达175ZB（泽字节，1ZB=10亿TB即太字节），如果存储于蓝光光盘，光盘堆栈高度将是地球到月球距离的23倍。
从口袋里掏出一个薄如蝉翼的微型设备，随手一点便有海量数据库内容映入眼帘，是科幻片中常见的片段，而将“大数据中心”放进光盘随身携带有可能成为现实吗？
前排从左至右：论文通讯作者阮昊，共同第一作者赵苗后排从左至右：研究人员胡巧、尹教成（图源：上海光机所）
2月22日，中国科研人员在超大容量超分辨三维光存储研究中取得最新突破性进展，相关研究成果以“Pb容量三维纳米光子存”为题，发表于《自然》杂志，论文第一作者单位为上海光机所，通讯作者为上海光机所阮昊研究员和上海理工大学光子芯片研究院院长顾敏院士，上海理工大学文静教授。上海光机所博士后赵苗和上海理工大学文静教授为并列第一作者，为光信息存储技术领域带来新的曙光。
Pb级光盘制备及读写方式示意图（图源:Nature）
封面新闻记者23日从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”）获悉，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关键核心技术、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。
一张光盘拥有海量存量？
“光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长的独特优势，非常适合长期低成本存储海量数据。”据论文通讯作者之一、上海光机所阮昊研究员介绍，存储是数字经济的基石之一，然而受到光学衍射极限的限制，传统商用光盘的最大容量仅在百GB量级。
论文截图。（图源：Nature官网）
“基于半导体闪存设备和硬盘驱动器等主要存储技术的数据中心能源负担高、运营成本高且寿命短。光学数据存储(ODS)为经济高效的长期档案数据存储，提供了一种的解决方案，ODS仍因其容量低和增加面密度的挑战而受到限制。”
为了解决这些问题，科研团队通过将平面记录架构扩展到具有数百层的三维空间，将ODS的容量提高到Pb级，同时打破了记录点的光学衍射极限障碍，并开发了一种基于掺杂有聚集诱导发射染料光刻胶薄膜的光学记录介质，可以通过飞秒激光束进行光学刺激。
据悉，该薄膜高度透明且均匀，聚集诱导发射现象提供了存储机制。它还可以被另一个去激活光束抑制，从而产生具有超分辨率尺度的记录点。该技术使得通过将纳米级磁盘堆叠成阵列来实现百兆级存储成为可能，这对于空间有限的大型数据中心至关重要。
光盘实物照片。（图源：Nature）
研发团队7年甘坐冷板凳
全球首次实现Pb量级光储存，科研团队有什么秘籍吗？这个还真有。
1994年德国科学家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、激光纳米直写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。
20世纪八十年代，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，研究团队一直深耕光存储领域。但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，是近10多年来光存储研究领域亟待解决的世界难题。2012年，本论文另一位通讯作者、上海理工大学顾敏院士提出了双光束超分辨光存储原理的设想。
经过长达7年坚持不懈的攻坚克难，“超级光盘”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光学衍射极限的限制，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。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，得到了审稿人的高度评价：“这是一种具有突破性创新的Pb级光存储技术…”“与现有其它技术相比，该技术在性能方面提供了最高的光存储面密度…”“研究成果可能会带来数据中心档案数据存储的突破，解决大容量和节能的存储技术难题…”。
从光学显微技术到光存储技术，都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关键核心技术，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。
上海光机所相关负责人告诉封面新闻记者：“未来，研究团队将加快原始创新和关键技术攻关，推动超大容量光存储的集成化和产业化进程，并拓展其在光显微成像、光显示、光信息处理领域的交叉应用，产出更多更优秀的创新成果。”
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