海量数据可望装进“小口袋”！上海理工大学顾敏团队发现亚衍射光学写入技术

在科幻片里我们常看到这样一个场景，主人公从口袋里掏出微型设备打开海量数据库执行任务。也许在不久的将来，我们不用再跑到图书馆查询文档、拿着沉甸甸硬盘拷贝资料，而是轻松在口袋里携带一个“大数据中心”，随时像主人公一样找到需要的数据。

北京时间2月25日凌晨，上海理工大学未来光学实验室人工智能纳米光子学中心顾敏院士团队在《科学进展》杂志（《科学》子刊）发表题为“基于上转换共振能量转移的纳米级光学写入技术”的论文，在光信息存储技术领域让海量数据实现“随身带”有了可能。《科学》杂志也作为“研究亮点”报道该成果。

到2025年，全球生成的数据总量预计达175 ZB（泽字节，1ZB=10亿TB即太字节），如果存储于蓝光光盘，光盘堆栈高度将是地球到月球距离的23倍。

信息存储越来越多，导致大数据中心被广泛使用，其能量消耗巨大，约占全球电力供应的3％。且依赖于基于磁记录的硬盘驱动器，后者存储容量有限（单盘片数据存储量最大为2TB），使用寿命一般只有3至5年。利用激光实现的光存储技术，有望满足以上数据存储需求，可以有效节省成本。过去几十年，光存储技术取得长足进步。但是，光的衍射性质限制了可达到的信息位大小，光盘存储容量仍被限制在几个TB。

为了解决海量大数据光存储技术的瓶颈，上海理工大学顾敏院士团队与澳大利亚皇家墨尔本理工大学、新加坡国立大学刘晓刚教授团队联合开展研究，通过镧系元素（稀土元素之一）掺杂的荧光上转换纳米颗粒和氧化石墨烯结合，实现低功率的光学写入纳米级信息位（纳米级是指1至100纳米的大小，1纳米等于1米的十亿分之一），为下一代光信息存储技术提供了新方案。开发的亚衍射光学写入技术将大大提高数据密度，可生产出在所有可用光学技术中具有最大存储容量的光盘，预计1张12厘米的光盘数据存储量可达到700 TB，相当于28000张蓝光光盘的存储量。

纳米复合材料构成激光写入过程

据上海理工大学人工智能纳米光子学中心张启明教授介绍，此技术使用了新的纳米复合材料，将氧化石墨烯与荧光上转换纳米颗粒结合，使用荧光上转换纳米颗粒将亚衍射信息位写入纳米复合材料，在结构光照明下局部还原氧化石墨烯，还原氧化石墨稀的过程通过共振能量转移来完成，从而降低能耗，延长光学器件的使用寿命。同时，与传统光学写入技术使用昂贵且笨重的脉冲激光器相比，此技术使用便宜的连续波激光器，大大降低成本。

这一系列创新发现为大容量光数据存储技术提供更便宜、可持续发展的解决方案，同时适于光盘的低成本批量生产，应用潜力巨大，为解决全球数据存储挑战开辟了新途径。

顾敏院士表示，研究只是发现了降低数据存储能耗的新方式，仍是基础性研究，“我们要继续优化特殊材料加工平台，改善存储容量、降低能耗和延长存储信息寿命，进一步降低成本，再开始转化应用。”

论文的第一作者是上理工博士后、来自意大利的西蒙尼·拉蒙（Simone Lamon）。作为沪江博士后学者，他将在上海理工大学博士后流动站工作3年。还在入境隔离期的西蒙尼·拉蒙通过视频接受采访称，决定加入上海理工大学人工智能纳米光子学中心，是因为该校提供了世界一流的设施和国际研究环境，更因为顾敏教授提出了下一代纳米光子设备与人工智能技术结合的愿景——“这将掀起社会信息技术的一场革命！新兴的人工智能技术将会和光存储技术紧密结合，我们的技术可以应用于下一代纳米光子器件所需的碳基纳米级光刻。”