2020的新冠疫情防控，大數(shù)據(jù)毫無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？
小到銀行流水、社保單據(jù)，大到我們每個人的身份信息、檔案材料，這些需要長久保存、大體量的數(shù)據(jù)究竟通過什么方式被存儲和讀取的呢？磁帶和磁盤的常規(guī)存儲方式真的能勝任大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)的爆發(fā)性增長嗎？新的數(shù)據(jù)存儲方式又是怎么實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的呢？
光存儲原理
所謂的光存儲，并不是簡單地把光給存儲起來，而是激光器發(fā)出一束激光，當(dāng)激光遇到存儲材料時會發(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，一束激光在經(jīng)過記錄點(diǎn)“1”和非記錄點(diǎn)“0”時，兩者之間的折射率、熒光信號等材料性質(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的信息。
光碟——最早的光儲存
1982年，飛利浦公司研發(fā)出了光存儲的鼻祖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； 代表物鏡的數(shù)值孔徑。光存儲的發(fā)展過程就是一個不斷減小激發(fā)光波長、不斷增大物鏡數(shù)值孔徑的過程，進(jìn)而數(shù)據(jù)存儲容量不斷提升。
光盤存儲發(fā)展歷程[1]
現(xiàn)代光儲存技術(shù)
然而，上帝似乎太過寵溺光存儲這個“兒子”，不太愿意放手讓他自由飛翔快速成長，光存儲在藍(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方面：一是大多數(shù)材料在激發(fā)波長為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)值孔徑也不能無線增大，最大數(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，會因?yàn)檎凵渎什黄ヅ湎嗖钸M(jìn)而影響分辨率，最終會影響光盤的存儲密度和存儲容量。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，深耕光存儲研究，取得了該領(lǐng)域內(nèi)的里程碑式的進(jìn)展。
1、五個蘿卜一個坑——金納米棒中的五維光存儲
通常情況下，光存儲是“一個蘿卜一個坑”的一維存儲，也就是說一個位置點(diǎn)上只能存儲一個值，優(yōu)點(diǎn)是簡單明了，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)了五個維度的光存儲，即在一個位置利用三種不同波長的激發(fā)光以及其對應(yīng)的兩種不同偏振態(tài)的光分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，成功實(shí)現(xiàn)了“五個蘿卜一個坑”，大大提升了存儲數(shù)據(jù)的能力。
五維度光存儲[2]
2、“橡皮”擦出來的細(xì)“筆印”——超分辨光存儲
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點(diǎn)的時候，光斑尺寸有一個最小值，這個光斑叫做“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，無法滿足高密度大容量存儲的需求。2011年，一群來自德國的科學(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數(shù)據(jù)能力。
超分辨原理示意圖[3]
超分辨光存儲[4]
3、一片永流傳——玻璃光存儲
你知道嗎？日常生活中非常常見的玻璃，也是可以用來存儲數(shù)據(jù)的。和書本、照片、光盤等相比，玻璃存儲號稱可以存儲“上億年”，并且在幾百度的高溫下也不會融化，這也就意味著存儲在玻璃內(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)已利用玻璃存儲把《圣經(jīng)》、牛頓的《光學(xué)》，以及美國的《獨(dú)立宣言》寫進(jìn)玻璃介質(zhì)中，以期實(shí)現(xiàn)永久存儲。
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從增加維度方面出發(fā)提升存儲容量，超分辨存儲從減小數(shù)據(jù)點(diǎn)的特征尺寸方面出發(fā)提升存儲容量，玻璃存儲從設(shè)計(jì)新的微納結(jié)構(gòu)出發(fā)提升存儲容量。這些技術(shù)都是對傳統(tǒng)光存儲的重要突破，將存儲容量提升到一個新的維度。
大數(shù)據(jù)時代已經(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)存儲起來，將會是一場災(zāi)難；光存儲是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N存儲技術(shù)，未來，陸陸續(xù)續(xù)還會有多種多樣的技術(shù)手段來不斷提升光存儲的容量。
光存儲，一種綠色節(jié)能高效的數(shù)據(jù)存儲方式，將在大數(shù)據(jù)時代承擔(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.
