中国科学家历时7年开发“超级光盘” 全球首次实现PB量级光存储

中国科研团队在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展

上海光机所研究员阮昊手持研究成果

存储与人类文明息息相关，大脑就是一个大容量存储器。在AI时代，存储更是智慧的基础。传统商用光盘的最大容量在百GB量级，如今，中国科研团队在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展，全球首次实现PB量级超大容量光存储，1PB相当于1000TB，也相当于100万GB，相当于把数据中心机柜缩小到一张光盘上。

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，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。这对于我国在信息存储领域突破关键核心技术、实现数字经济可持续发展具有重大意义。相关研究成果于2月22日发表在《自然》（Nature）杂志。

全世界最前沿的科学难题

数据就像石油一样存在地下，什么时候要用数据，什么时候就把它开采出来。

“数据的增长还在延续摩尔定律并且飞速发展，预计明年全球会产生175ZB数据，1Z就相当于100万PB。”论文通讯作者、上海光机所研究员阮昊以科研为例，不管是上海光机所的羲和激光装置，还是“中国天眼”，其产生的数据都是海量的。

科研数据、财务数据是典型的冷数据，访问频率低。“80%的数据都是冷数据，需要低成本的存储。”阮昊介绍，目前存储的方式有磁存储、光存储和半导体存储。半导体存储适合热数据存储，用于冷数据存储的成本高昂。而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，适合长期低成本存储海量数据。

然而受衍射极限的限制，信息点无法进一步缩小，导致传统商用光盘的最大容量仅在百GB量级。“在CD、DVD时代，光盘很热，这几十年沉淀了，就是衍射极限突破不了。”阮昊表示。

2021年《科学》（Science）发布的全世界最前沿的125个科学问题中，突破衍射极限限制在物理领域高居首位。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、提高单盘存储容量成为光存储的不懈追求。

1994年，德国科学家Stefan W. Hell教授提出受激辐射损耗显微技术，首次证明光学衍射极限能够被打破，2014年获得了诺贝尔化学奖。经过20多年发展，这一技术已在显微成像、激光纳米直写等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。

手握6部“武功秘籍”，坐了7年冷板凳

上世纪八十年代，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。但要攻克超大容量超分辨三维光存储，“这个课题太难了，我们一共做了7年，很多人都认为可能做不出来。”阮昊坦言。

论文共同第一作者、上海光机所博士后赵苗在上海光机所硕博连读，将这个课题从头坚持到尾，“我当时想，如果我把这件事做出来，我应该能跟别人拉开距离。”

前排从左至右：论文通讯作者阮昊，共同第一作者赵苗。

为此，阮昊为赵苗配备了一众“高手”重新给他打基础。别人只有1个导师，赵苗却有6个，“就像最顶级的武功秘籍，别人只有一部，我有6部，我一直学。”但研究了三四年仍然没有令人惊喜的结果。“后来想想算了，要不就这么做下去，不行就拉倒。”“不行就拉倒”这句话意味着，如果没有成果，赵苗连硕士文凭也拿不到。在这样的境地下，他仍然坚持科研，白天约不到张江的实验室，就晚上做实验。上海光机所位于上海嘉定，而实验室位于上海张江，赵苗数不清这条路走了多少来回。

7年甘坐冷板凳，研究团队最终基于双光束超分辨技术及聚集诱导发光存储介质，在信息写入和读出方面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。

光盘实物照片

这是国际上首次实现PB量级的超大容量光存储。“我们的材料是完全透明的，所以能发挥光的优点，可以三维存储。原来一个数据中心的容量就是1PB，现在我们相当于把一个机柜缩小到一张光盘上。”阮昊表示。

此次研究成果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作用。论文审稿人评价称，该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。

“虽然我们在国际上完成了双光束超分辨存储的原理验证，但真正实现产业化还有较长的路要走，产业化还需要大量资金，要解决很多工程性问题。”阮昊表示，比如读出设备要做得更小，读出速度要更快，材料也有优化空间。未来研究团度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。