存儲與人類文明息息相關，大腦就是一個大容量存儲器。在AI時代，存儲更是智慧的基礎。傳統商用光盤的最大容量在百GB量級，如今，中國科研團隊在超大容量超分辨三維光存儲研究中取得突破性進展，全球首次實現Pb量級超大容量光存儲，1Pb相當于1000Tb，也相當于100萬Gb，相當于把一個小型數據中心機柜縮小到一張光盤上。

中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱“上海光機所”）與上海理工大學等科研單位合作，研究團隊利用國際首創的雙光束調控聚集誘導發光超分辨光存儲技術，實驗上首次在信息寫入和讀出均突破了衍射極限的限制，實現了點尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數據存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量達Pb量級。這對于我國在信息存儲領域突破關鍵核心技術、實現數字經濟可持續發展具有重大意義。相關研究成果于2月22日發表在《自然》（Nature）雜志。

全世界最前沿的科學難題

數據就像石油一樣存在地下，什么時候要用數據，什么時候就把它開采出來。

“數據還在飛速增長，預計明年全球會產生175ZB數據，1ZB就相當于100萬PB。”論文通訊作者之一、上海光機所研究員阮昊以科研為例，不管是上海光機所的羲和激光裝置，還是“中國天眼”，其產生的數據都是海量的。

科研數據、財務數據是典型的冷數據，訪問頻率低。“80%的數據都是冷數據，需要低成本的存儲。”阮昊介紹，目前存儲的方式有磁存儲、光存儲和半導體存儲。半導體存儲適合熱數據存儲，用于冷數據存儲的成本高昂。而光存儲技術具有綠色節能、安全可靠、壽命長達50-100年的獨特優勢，適合長期低成本存儲海量數據。

然而受衍射極限的限制，信息點的道間距無法進一步縮小，導致傳統商用光盤的最大容量僅在百GB量級。“在CD、DVD時代，光盤很熱，這幾十年沉淀了，主要是衍射極限突破不了。”阮昊表示。

2021年《科學》（Science）發布的全世界最前沿的125個科學問題中，突破衍射極限限制在物理領域高居首位。在信息量日益增長的大數據時代，突破衍射極限、縮小信息點尺寸、提高單盤存儲容量成為光存儲的不懈追求。

1994年，德國科學家Stefan W. Hell教授提出受激輻射損耗顯微技術，首次在成像領域證明光學衍射極限能夠被打破，2014年獲得了諾貝爾化學獎。經過20多年發展，這一技術已在顯微成像、激光納米直寫等領域實現了光學超分辨成果，信息的超分辨寫入已經得到了解決。

然而，傳統染料在聚集狀態下極易發生熒光猝滅，造成信息丟失，在納米尺度下還存在被背景噪聲湮沒的難題，導致超分辨的信息難以讀出，通常依賴電鏡掃描的讀出方式，限制了超分辨技術在光存儲領域中的應用。因此，發展可同步實現超分辨寫、超分辨讀、三維存儲及長壽命介質是10多年來光存儲研究領域亟待解決的難題。

手握6部“武功秘籍”甘坐冷板凳

上世紀八十年代，上海光機所干福熹院士開創了我國數字光盤存儲技術的研究，研究團隊一直深耕光存儲領域。

論文共同第一作者、上海光機所博士后趙苗在上海光機所碩博連讀，將這個課題從頭堅持到尾，“我當時想，如果我把這件事做出來，將是一件非常有意義的事。”

為此，導師阮昊為趙苗配備了“智囊團”重新給他打基礎。別人只有1個導師，趙苗卻有6個，“就像最頂級的武功秘籍，別人只有一部，我有6部，我一直學。”但研究了三四年仍然沒有令人驚喜的結果。“后來想想算了，要不就這么做下去，不行就拉倒。”“不行就拉倒”這句話意味著，如果沒有成果，趙苗連碩士學位也拿不到。在這樣的境地下，他仍然堅持科研，甚至不分晝夜地進行實驗。

研究團隊最終基于雙光束超分辨技術及聚集誘導發光存儲介質，在信息寫入和讀出方面均突破了衍射極限的限制，實現了點尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數據存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量約1.6Pb。經老化加速測試，光盤介質壽命大于40年，加速重復讀取后熒光對比度仍高達20.5：1。

光盤實物照片。

這是國際上首次實現Pb量級的超大容量光存儲。“我們的材料是完全透明的，所以能發揮光的優點，可以三維存儲。原來一個1Pb容量的數據中心，現在我們相當于把一個機柜縮小到一張光盤上。”阮昊表示。

此次研究成果有助于我國在存儲領域突破關鍵核心技術，將在大數據數字經濟中發揮作用。論文審稿人評價稱，該研究成果可能會帶來數據中心檔案數據存儲的突破，解決大容量和節能的存儲技術難題。

“雖然我們在國際上完成了雙光束超分辨存儲的原理驗證，但真正實現產業化還有較長的路要走，產業化還需要大量資金，要解決很多工程性問題。”阮昊表示，比如讀出設備要做得更小，讀出速度要更快，材料也有優化空間。未來研究團度將加快原始創新和關鍵技術攻關，推動超大容量光存儲的集成化和產業化進程，并拓展其在光顯微成像、光顯示、光信息處理等領域的交叉應用。