9月29日，上海理工大学智能科技学院顾敏院士、张启明教授团队在国际学术期刊《自然·光子学》（Nature Photonics）发表题为“原位光碳化聚合物点的巨型声子辅助上转换发光及其三维高清光存储应用”（Giant phonon-assisted upconversion photoluminescence of in situ photo-carbonized polymer dots for 3D high-definition optical disks）的研究成果。团队自主研发了单光束多维光存储技术，使单个三维存储点能够区分1024种状态，对应10 bit信息容量，并实现高速写入和宽场并行读取。DVD尺寸介质的理论存储容量可达约0.4 Pb，数据读取可靠性超过99.99%。
一张8K超高清图像包含约3300万个像素。以8 bit灰度图像为例，一个像素有256种灰度取值。如果每个存储单元只能记录“0”或“1”，就需要8个这样的单元保存一个像素的灰度信息；而如果一个记录点能够区分1024种状态，就可以承载10 bit信息。也就是说，一个10 bit存储点在完成原有8 bit灰度信息存储后，多出的2 bit信息还可为原位光学人工智能训练提供附加编码空间。未来若将信息记录与光学计算功能结合，使同一单元兼具存储与计算能力，有望实现“零距离存算一体化”。
“传统的二进制存储，一个记录单元通常只有‘0’和‘1’两种状态，而我们的技术让一个记录单元拥有1024种可区分状态。”张启明教授解释，“过去需要多个记录单元共同承载的信息，现在可以通过提高单个记录点的信息容量来完成。这样，光存储提升容量就不再只能依靠不断缩小记录点或增加存储层数，还可以通过让‘一个点存更多信息’开辟新的空间。”
实现Pb级超高密度光存储，传统超分辨技术路线往往需要双束光协同完成写入和读取，由此带来精密配准、稳定控制等系统难题。团队此次以单束单色光分别完成写入和读取，攻克了Pb级超高密度存储中复杂双光束协同带来的系统难题，打破了高容量光存储对双光束读写架构的依赖。在此基础上，高速扫描写入与宽场并行读取进一步提升了数据通量，为Pb级乃至更大容量光存储的高速化、集成化和规模化应用打开了新的技术空间。
从8K图像延伸到人工智能训练数据、科研数据和医学影像，冷数据的规模还将持续增长。面对这类海量信息，衡量存储能力的不应只是“能存多少”，还要看容量如何获得，以及数据能否被高效存取。团队将灰度引入新的信息维度，使单个记录点能够承载10 bit信息，容量提升由此不再局限于XY平面上0/1二进制记录点的高密度排列，而是从“增加记录点数量”拓展到“提升每个记录点的信息量”。Pb级乃至更高容量，正是这种多维信息承载能力进一步扩展的结果。在现有0.4 Pb基础上，若进一步将层间距由5 μm压缩至1 μm，并将灰阶编码拓展至万级，理论容量有望提升至约20 Pb。结合单光束读写和高速并行访问，该技术也为海量冷数据的高容量、高通量存储提供了新的技术路径。
顾敏院士表示：“面向未来海量数据存储，Pb容量并不是唯一衡量指标。真正走向应用，不仅要能够承载更多信息，还要兼顾读写速度、系统复杂度和设备集成能力。此次研究从信息维度和读写架构两个方面拓展了光存储的发展路径，为Pb级乃至更高容量光存储进一步走向工程化和产业化创造了条件。”
博士生张慧和Simone Lamon副研究员为论文共同第一作者；Simone Lamon副研究员、刘丽英教授、张启明教授与顾敏院士为共同通讯作者。上海理工大学为论文第一署名单位，复旦大学和东南大学为论文合作完成单位。
论文原理图
顾敏院士（左二）指导团队实验
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-026-02004-z
