“才拍了几张照片，我的手机内存又满了。”“我的电脑硬盘空间满了，又得去买外接硬盘了”……这些习以为常的“困扰”背后，是人们越来越高的数据存储需求。而这些日常“小烦恼”只是数据存储困扰的冰山一角——根据数据存储专业机构出具的白皮书显示，到2025年全球数据总量将由2018年的33ZB增加到175ZB（ZB即“泽字节”，1ZB等于10亿TB，即太字节），如果用时下比较主流的1TB容量的移动硬盘装这些数据，则至少需要使用1750亿个。这样不仅成本高昂，而且数据存储的寿命短。因此无论是个人日常所需，还是工农业生产，开发能够容纳海量数据且绿色安全的存储技术早已迫在眉睫。
纳米光子存储示意图
近日，顾敏院士领导上海理工大学和中科院上海光学精密机械研究所的团队人员利用光存储技术提出了绿色、长寿命、大数据存储解决方案，研究成果以“Pb容量三维纳米光子存储”(A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity)为题，发表在《自然》（Nature）正刊上。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或者一百个大容量硬盘，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。
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为主要通讯作者，上海理工大学文静教授，上海光学精密机械研究所阮昊研究员为共同通讯作者。中科院上海光机所赵苗博士后和文静教授为该成果并列第一作者。
图片引自《自然》（Nature）的“Pb容量三维纳米光子存储”(A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity)论文
据顾敏院士介绍，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下这些数据，平铺开来需要占据一个操场的面积。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。
这一颠覆性成果的提出源于团队突破了光学衍射极限的限制——像激光直写机、光学显微技术、光存储技术，无一不被光学衍射极限所限制。“2021年《科学》发布的全世界最前沿的125个科学问题中，光学衍射极限在高居物理领域首位，同时也是2024年《自然》最新发布的将在未来一年关注的7个技术领域之一.可以说，我们团队拼上了这一领域的‘珠穆朗玛峰’。”
基础研究领域的突破绝非一日之功，早在2013年，顾敏院士就带领团队开始了创新探索。在激光直写领域，他带领科研团队利用双光束的原理实现了9纳米激光直写技术。此次发表在《自然》杂志上纳米光子存储技术的提出，不仅在光存储领域成功突破了光学衍射极限这一物理学难题，有助于我国在存储领域实现突破，也将在航空航天、生物医学、卫星通信等领域大显身手。
一张光盘可替代海量存储设备
相关论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06980-y
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06980-y
供稿：光子芯片研究院、新闻中心
文：文静、董真、张胜杰
