2020 的新冠疫情防控，大數(shù)據(jù)毫無(wú)疑問提供了很大幫助。專家們分析了春節(jié)前后人口流向和規(guī)模，識(shí)別了疫情傳播渠道和防控重心?？墒?，這種規(guī)模性的數(shù)據(jù)都是被怎么 藏 起來的呢？

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小到銀行流水、社保單據(jù)，大到我們每個(gè)人的身份信息、檔案材料，這些需要長(zhǎng)久保存、大體量的數(shù)據(jù)究竟通過什么方式被存儲(chǔ)和讀取的呢？磁帶和磁盤的常規(guī)存儲(chǔ)方式真的能勝任大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)的爆發(fā)性增長(zhǎng)嗎？新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式又是怎么實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的呢？

敬請(qǐng)期待數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的追光之旅……

光存儲(chǔ)原理

所謂的光存儲(chǔ)，并不是簡(jiǎn)單地把光給存儲(chǔ)起來，而是激光器發(fā)出一束激光，當(dāng)激光遇到存儲(chǔ)材料時(shí)會(huì)發(fā)生物理或者化學(xué)反應(yīng)，也就是說材料的性質(zhì)發(fā)生了一定的變化，性質(zhì)發(fā)生變化的位置點(diǎn)我們視為二進(jìn)制數(shù)中的 1；而激光沒有經(jīng)過的地方，材料的特性保持不變，這些位置點(diǎn)我們視為二進(jìn)制數(shù)中的 0。當(dāng)完成記錄后，光盤上就留下一串串的二進(jìn)制數(shù) 0011010101 ，這樣我們就成功的把數(shù)據(jù)刻錄在光盤上。當(dāng)我們需要將記錄的數(shù)據(jù)信息讀出時(shí)，一束激光在經(jīng)過記錄點(diǎn) 1 和非記錄點(diǎn) 0 時(shí)，兩者之間的折射率、熒光信號(hào)等材料性質(zhì)不同，正是這種差異可以將記錄點(diǎn)和非記錄點(diǎn)區(qū)分開，從而成功獲取我們存儲(chǔ)的信息。

光碟——最早的光儲(chǔ)存

1982 年，飛利浦公司研發(fā)出了光存儲(chǔ)的鼻祖 CD（致密光碟），經(jīng)過 20 多年的飛速發(fā)展，光盤的存儲(chǔ)容量也越來越大，1995 年 DVD 問世，1999 年藍(lán)光光盤也應(yīng)運(yùn)而生。

最早的光儲(chǔ)存原理為阿貝衍射極限公式：

式中： 代表光斑直徑； 代表所用激光波長(zhǎng)； 代表物鏡的數(shù)值孔徑。光存儲(chǔ)的發(fā)展過程就是一個(gè)不斷減小激發(fā)光波長(zhǎng)、不斷增大物鏡數(shù)值孔徑的過程，進(jìn)而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量不斷提升。

光盤存儲(chǔ)發(fā)展歷程 [ 1 ]

現(xiàn)代光儲(chǔ)存技術(shù)

然而，上帝似乎太過寵溺光存儲(chǔ)這個(gè) 兒子 ，不太愿意放手讓他自由飛翔快速成長(zhǎng)，光存儲(chǔ)在藍(lán)光光盤問世后的十年間都鮮有突破。其最主要原因有兩個(gè)方面：一是大多數(shù)材料在激發(fā)波長(zhǎng)為 400 nm 以下的紫外波段有很強(qiáng)烈的線性吸收而很難響應(yīng)；二是物鏡的數(shù)值孔徑也不能無(wú)線增大，數(shù)值孔徑為 1.49 的物鏡已經(jīng)接近蓋玻片的折射率，如果繼續(xù)增大，會(huì)因?yàn)檎凵渎什黄ヅ湎嗖钸M(jìn)而影響分辨率，最終會(huì)影響光盤的存儲(chǔ)密度和存儲(chǔ)容量。但是，不在沉默中爆發(fā)，就在沉默中滅亡，為了讓光存儲(chǔ)重振往日雄風(fēng)，近些年來，許多科學(xué)家十年如一日，深耕光存儲(chǔ)研究，取得了該領(lǐng)域內(nèi)的里程碑式的進(jìn)展。

1、五個(gè)蘿卜一個(gè)坑——金納米棒中的五維光存儲(chǔ)

通常情況下，光存儲(chǔ)是 一個(gè)蘿卜一個(gè)坑 的一維存儲(chǔ)，也就是說一個(gè)位置點(diǎn)上只能存儲(chǔ)一個(gè)值，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單明了，但缺點(diǎn)是容量非常有限。2009 年，來自澳大利亞的科學(xué)家另辟蹊徑，在金納米棒中成功實(shí)現(xiàn)了五個(gè)維度的光存儲(chǔ)，即在一個(gè)位置利用三種不同波長(zhǎng)的激發(fā)光以及其對(duì)應(yīng)的兩種不同偏振態(tài)的光分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，成功實(shí)現(xiàn)了 五個(gè)蘿卜一個(gè)坑 ，大大提升了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。

五維度光存儲(chǔ) [ 2 ]

2、 橡皮 擦出來的細(xì) 筆印 ——超分辨光存儲(chǔ)

如果有一只已經(jīng)被削的非常細(xì)的鉛筆，但是還想畫出更細(xì)的線條，怎么辦？如果將鉛筆削得更細(xì)則筆更容易折斷，很難滿足作畫的目的。面對(duì)這樣的問題，很多畫家聰明地選擇先畫出線條，然后用橡皮擦把線條擦得更細(xì)。一項(xiàng)重大的科學(xué)應(yīng)用——超分辨光存儲(chǔ)借鑒了這樣的思維模式，很大程度上縮小了數(shù)據(jù)點(diǎn)的尺寸。

我們知道，用透鏡把激光光斑聚到一個(gè)點(diǎn)的時(shí)候，光斑尺寸有一個(gè)最小值，這個(gè)光斑叫做 艾里斑 ，艾里斑很大程度上決定了我們刻寫的記錄點(diǎn)大小。但是， 挑剔 的科學(xué)家還是嫌棄刻寫的記錄點(diǎn)太大，無(wú)法滿足高密度大容量存儲(chǔ)的需求。2011 年，一群來自德國(guó)的科學(xué)家在生物材料綠色熒光蛋白中利用受激發(fā)射損耗超分辨原理，即采用兩束激光，一束為實(shí)心的激發(fā)光，一束為空心的抑制光，激發(fā)光作用于樣品后會(huì)產(chǎn)生自發(fā)熒光，相當(dāng)于鉛筆先畫了一條線。而后中空的抑制光與樣品相互作用使得該區(qū)域以受激輻射的方式回到基態(tài)，相當(dāng)于橡皮擦把線條擦細(xì)。這樣，大大減小了有效激發(fā)的區(qū)域，即很大程度上可以減少記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)特征尺寸，從而極大地提升了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力。

超分辨原理示意圖 [ 3 ]

超分辨光存儲(chǔ) [ 4 ]

3、一片永流傳——玻璃光存儲(chǔ)

你知道嗎？日常生活中非常常見的玻璃，也是可以用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。和書本、照片、光盤等相比，玻璃存儲(chǔ)號(hào)稱可以存儲(chǔ) 上億年 ，并且在幾百度的高溫下也不會(huì)融化，這也就意味著存儲(chǔ)在玻璃內(nèi)部的數(shù)據(jù)可以永久性保存。這其中用到的技術(shù)手段主要是用激光在玻璃內(nèi)部刻畫出物理結(jié)構(gòu) 納米光柵 來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。來自南安普頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)已利用玻璃存儲(chǔ)把《圣經(jīng)》、牛頓的《光學(xué)》，以及美國(guó)的《獨(dú)立宣言》寫進(jìn)玻璃介質(zhì)中，以期實(shí)現(xiàn)永久存儲(chǔ)。

也許，多年后愛情的信物不再是鉆石，而是更加具有永久代表性的存儲(chǔ)玻璃。愛情恒久遠(yuǎn)，一片永流傳！

寫在最后

金納米棒的五維存儲(chǔ)從增加維度方面出發(fā)提升存儲(chǔ)容量，超分辨存儲(chǔ)從減小數(shù)據(jù)點(diǎn)的特征尺寸方面出發(fā)提升存儲(chǔ)容量，玻璃存儲(chǔ)從設(shè)計(jì)新的微納結(jié)構(gòu)出發(fā)提升存儲(chǔ)容量。這些技術(shù)都是對(duì)傳統(tǒng)光存儲(chǔ)的重要突破，將存儲(chǔ)容量提升到一個(gè)新的維度。

大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來，我們都需要直面挑戰(zhàn)。如果不能將海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，將會(huì)是一場(chǎng)災(zāi)難；光存儲(chǔ)是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N存儲(chǔ)技術(shù)，未來，陸陸續(xù)續(xù)還會(huì)有多種多樣的技術(shù)手段來不斷提升光存儲(chǔ)的容量。

光存儲(chǔ)，一種綠色節(jié)能高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，將在大數(shù)據(jù)時(shí)代承擔(dān)領(lǐng)航者的角色，為人類文明記憶保存提供堅(jiān)實(shí)保障！

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] GU M, LI X. The road to multi-dimensional bit-by-bit optical data storage [ J ] . Optics & Photonics News, 2010, 21 ( 6 ) : 28-33.

[ 2 ] ZIJLSTRA P, CHON J W M, GU M. Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in gold nanorods [ J ] . Nature, 2009, 459 ( 7245 ) : 410-3.

[ 3 ] 姜美玲 , 張明偲 , 李向平 , et al. 超分辨光存儲(chǔ)研究進(jìn)展 [ J ] . 光電工程 , 46 ( 03 ) : 82-93.

[ 4 ] GROTJOHANN T, TESTA I, LEUTENEGGER M, et al. Diffraction-unlimited all-optical imaging and writing with a photochromic GFP [ J ] . Nature, 2011, 478 ( 7368 ) : 204-8.

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