參與研究的科學研究人員手持6支“武功秘籍”，7年甘坐冷板凳。最終，中國科學研究團隊在超大容量超分辨三維光儲存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，相當於把資料中心機櫃縮小到一張光碟上。

中國科研團隊在超大容量超分辨三維光儲存研究中取得突破性進展

上海光機所研究員阮昊手持研究成果

儲存與人類文明息息相關，大腦就是一個大容量記憶體。在AI時代，儲存更是智慧的基礎。傳統商用光碟的最大容量在百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相當於1000TB，也相當於100萬GB，相當於把資料中心機櫃縮小到一張光碟上。

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儲存技術，實驗上首次在訊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，並完成了100層的多層記錄，單盤等效容量達PB量級。這對我國在資訊儲存領域突破關鍵核心技術、實現數位經濟永續發展具有重大意義。相關研究成果於2月22日發表在《自然》（Nature）雜誌。

全世界最前線的科學難題

數據就像石油一樣存在地下，什麼時候要用數據，什麼時候就把它開採出來。

「數據的成長還在延續摩爾定律並且飛速發展，預計明年全球會產生175ZB數據，1Z就相當於100萬PB。」論文通訊作者、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雷射裝置，還是“中​​國天眼”，其產生的數據都是海量的。

科學研究數據、財務數據是典型的冷數據，存取頻率低。「80%的數據都是冷數據，需要低成本的儲存。」阮昊介紹，目前儲存的方式有磁性儲存、光儲存和半導體儲存。半導體存儲適合熱數據存儲，用於冷數據存儲的成本高。而光儲存技術具有綠色節能、安全可靠、壽命長達50-100年的獨特優勢，適合長期低成本儲存海量資料。

然而受衍射極限的限制，資訊點無法進一步縮小，導致傳統商用光碟的最大容量僅在百GB量級。「在CD、DVD時代，光碟很熱，這幾十年沈澱了，就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，突破繞射極限限制在物理領域高居首位。在資訊量日益增長的大數據時代，突破衍射極限、縮小資訊點尺寸、提高單盤儲存容量成為光儲存的不懈追求。

1994年，德國科學家Stefan W. Hell教授提出受激輻射損耗顯微技術，首次證明光學繞射極限能夠被打破，2014年獲得了諾貝爾化學獎。經過20多年發展，這項技術已在顯微成像、雷射奈米直寫等領域實現了光學超分辨成果，資訊的超分辨寫入已經解決了。

然而，傳統染料在聚集狀態下極易發生螢光猝滅，造成資訊流失，在奈米尺度下還存在被背景雜訊湮沒的難題，導致超分辨的資訊難以讀出，通常依賴電子顯微鏡掃描的讀出方式，限制了超分辨技術在光儲存領域的應用。因此，發展可同步實現超分辨寫、超分辨讀、三維儲存及長壽命介質是10多年來光儲存研究領域亟待解決的難題。

手握6部“武功秘籍”，坐了7年冷板凳

上世紀八十年代，上海光機所幹福熹院士開創了我國數位光碟儲存技術的研究，研究團隊一直深耕光儲存領域。但要攻克超大容量超分辨三維光存儲，「這個課題太難了，我們一共做了7年，很多人都認為可能做不出來。」阮昊坦言。

論文共同第一作者、上海光機所博士後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，我應該能跟別人拉開距離。”

前排左至右：論文通訊作者阮昊，共同第一作者趙苗。

為此，阮昊為趙苗配備了一眾「高手」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。「後來想想算了，要不就這麼做下去，不行就拉倒。」「不行就拉倒」這句話意味著，如果沒有成果，趙苗連碩士文憑也拿不到。在這樣的境地下，他仍然堅持科研，白天約不到張江的實驗室，就晚上做實驗。上海光機所位於上海嘉定，而實驗室位於上海張江，趙苗數不清這條路走了多少來回。

7年甘坐冷板凳，研究團隊最終基於雙光束超分辨技術及聚集誘導發光存儲介質，在資訊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的超分辨資料存儲，並完成了100層的多層記錄，單盤等效容量約1.6PB。經老化加速測試，光碟介質壽命大於40年，加速重複讀取後螢光對比仍高達20.5：1。

光碟實體照片

這是國際上首次實現PB量級的超大容量光儲存。「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。原來一個數據中心的容量就是1PB，現在我們相當於把一個機櫃縮小到一張光盤上。」阮昊表示。

這項研究成果有助於我國在儲存領域突破關鍵核心技術，將在大數據數位經濟中發揮作用。論文審查者評論稱，該研究成果可能會帶來資料中心檔案資料儲存的突破，解決大容量和節能的儲存技術難題。

「雖然我們在國際上完成了雙光束超分辨儲存的原理驗證，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，例如讀出設備要做得更小，讀出速度要更快，材料也有最佳化空間。未來研究團度將加速原始創新和關鍵技術攻關，推動超大容量光儲存的整合和產業化進程，並拓展其在光顯微成像、光顯示、光資訊處理領域的交叉應用。