用鉆石做光盤，可存儲數(shù)據(jù)數(shù)百年！未來甚至有望誕生“DNA硬盤”

出品：科普中國

作者：Denovo團隊

監(jiān)制：中國科普博覽

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還記得小時候刻錄的CD光盤嗎？那是我們“收藏”青春的神器，保存著那些年聽不膩的歌和看不夠的照片。然而，如果用的是普通的刻錄光盤，或者長期放在高溫潮濕的環(huán)境中，幾年后可能已經(jīng)無法讀取，變成了一張“沉默的光盤”。相比之下，現(xiàn)在科學家們正探索用鉆石來制作“永恒光盤”，不僅能承受高溫、抗腐蝕，還能穩(wěn)穩(wěn)保存幾百年，甚至無需任何維護。

更令人驚嘆的是，未來甚至有望出現(xiàn)“DNA硬盤”，讓你可以把海量數(shù)據(jù)藏在一根頭發(fā)絲的空間里！這聽起來像是科幻故事，但其實已經(jīng)成為科學研究的前沿領(lǐng)域。

大數(shù)據(jù)時代已然來臨

（圖片來源：作者AI生成）

數(shù)據(jù)存儲的本質(zhì)是什么？

所有的數(shù)據(jù)，無論它最初是什么形式，如文字、圖片、音頻或者視頻等，都需要通過一種編碼方式被轉(zhuǎn)化為計算機可以處理的數(shù)字信號。這些編碼是標準化的，以確保計算機能夠正確解碼和重構(gòu)這些信息。我們接下來看看常見的這幾種數(shù)據(jù)是如何儲存的。

大量的數(shù)據(jù)

（圖片來源：pixabay.com）

首先就是文字信息，例如，ASCII或Unicode編碼將字符映射為特定的二進制數(shù)。比如字母“A”在ASCII中被編碼為二進制數(shù)“01000001”。

圖片則是通過像素的顏色和亮度值來表示的，這些值最終被編碼為二進制數(shù)。每個像素的顏色通常由紅綠藍（RGB）三個值表示，每個值都可以通過一定的二進制數(shù)值來表示。

音頻數(shù)據(jù)通過如采樣和量化的數(shù)字化過程將聲音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，最終轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)據(jù)。視頻則是由一幀幀圖像即靜態(tài)圖片和音頻組成的，這些圖像和音頻信息同樣以二進制編碼方式存儲。

無論數(shù)據(jù)的原始形式如何，最終都會被轉(zhuǎn)換為二進制形式存儲。二進制的1和0代表了計算機能夠理解的電信號狀態(tài)，如開關(guān)、電壓高低、磁性狀態(tài)等。

目前人類有哪些手段實現(xiàn)對1和0的表示、記錄與讀取

數(shù)字1和0是計算機語言的基礎(chǔ)，存儲介質(zhì)如硬盤、光盤等，通過物理或電子方式實現(xiàn)對這些二進制數(shù)據(jù)的存儲。

硬盤通過在旋轉(zhuǎn)的磁盤表面上記錄磁性信號來存儲數(shù)據(jù)。磁盤表面涂有能夠響應(yīng)磁場的磁性物質(zhì)，當磁盤在高速旋轉(zhuǎn)時，讀寫磁頭通過改變磁性物質(zhì)的磁極方向來表示二進制數(shù)據(jù)（0或1）。每個磁性區(qū)域的狀態(tài)代表一個數(shù)據(jù)單元。

硬盤

（圖片來源：pixabay.com）

當硬盤寫入數(shù)據(jù)時，讀寫頭會改變磁盤表面磁性材料的磁極方向，代表二進制的0或1。當硬盤讀取數(shù)據(jù)時，磁頭感應(yīng)到磁盤表面材料的磁性變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過處理得到所需的數(shù)據(jù)。

磁性存儲的優(yōu)點是容量大、成本低，但缺點是速度較慢且容易受物理沖擊損壞。

半導體存儲介質(zhì)（如固態(tài)硬盤SSD）不使用機械部件，而是通過閃存芯片，通常是NAND閃存存儲數(shù)據(jù)。NAND閃存由許多存儲單元組成，這些單元通過電子方式存儲數(shù)據(jù)。每個存儲單元可以存儲電荷，通過存儲的電荷的有無來表示0和1。

固態(tài)硬盤SSD

（圖片來源：Veer圖庫）

SSD通過改變存儲單元中的電荷來寫入數(shù)據(jù)。每個存儲單元由浮動柵極晶體管組成，可以在不同的電壓下存儲電荷。SSD通過檢測每個存儲單元的電荷狀態(tài)，來判斷存儲的是0還是1。

SSD的優(yōu)勢在于速度更快、耐用性好、抗震性強，但成本相對較高，且存儲單元有有限的寫入次數(shù)。

光學存儲介質(zhì)，如光盤，是利用激光技術(shù)來存儲和讀取數(shù)據(jù)。在光盤表面，數(shù)據(jù)是以微小的凹坑（pits）和平滑區(qū)域（lands）的形式記錄的。這些凹坑和區(qū)域交替排列，形成數(shù)字信號。

光盤

（圖片來源：pixabay.com）

在可寫光盤如CD或DVD中，激光會加熱光盤表面，改變某些區(qū)域的物理形態(tài)，使其形成凹坑，從而記錄數(shù)據(jù)。在讀取過程中，激光束照射到光盤表面，光的反射變化，也就是坑與平面區(qū)域的不同反射會被傳感器檢測到，進而轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

光學存儲的優(yōu)點是能夠提供較為廉價且持久的數(shù)據(jù)存儲方式，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)備份和分發(fā)，但其讀取速度和存儲容量較低。

鉆石居然也可以儲存數(shù)據(jù)

通過精確制備納米材料光源，并調(diào)控光信號的強度、波長、偏振等多維度特性，光學存儲技術(shù)近年來已成為實現(xiàn)高密度存儲的重要發(fā)展路徑之一。

然而，納米材料的穩(wěn)定性差、信息讀寫速度較慢、誤差較大以及高能耗等問題，使得光學存儲技術(shù)在向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化過程中面臨巨大的挑戰(zhàn)。

中國科學院微觀磁共振重點實驗室的杜江峰等科學家在光學信息存儲領(lǐng)域取得了重要進展，提出并發(fā)展了基于金剛石發(fā)光點缺陷的四維信息存儲技術(shù)，具備高密度、超長免維護壽命、快速讀寫等面向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵特性。這一技術(shù)有望為應(yīng)對“數(shù)據(jù)大爆炸”時代對新一代綠色高容量信息存儲的迫切需求提供解決方案。相關(guān)研究成果于11月27日在線發(fā)表在《自然·光子學》（Nature Photonics）上。

圖：（a）金剛石信息存儲概念圖;（b）多次讀出后熒光信號的穩(wěn)定性表征;（c）高密度堆疊下信息存儲單元掃描成像結(jié)果。

（圖片來源：參考文獻1）

我國科學家創(chuàng)新性地利用金剛石中一種可精確人工制備的發(fā)光點缺陷，成功解決了光學存儲技術(shù)一系列挑戰(zhàn)。簡單來說，金剛石是由碳原子以高度規(guī)則的方式排列成晶格結(jié)構(gòu)，每個碳原子通過強大的共價鍵與其他四個碳原子連接，形成堅固的晶體結(jié)構(gòu)。然而，外部條件如高溫、高壓或輻射等可能導致部分碳原子被從原有位置移位，形成一種叫做弗蘭克爾缺陷的缺陷。研究發(fā)現(xiàn)，金剛石中的原子尺度弗蘭克爾缺陷具有穩(wěn)定的發(fā)光特性，可以精確調(diào)節(jié)其發(fā)光亮度用于數(shù)據(jù)編碼，因此成為理想的信息存儲單元。

通過鉆石儲存數(shù)據(jù)

（圖片來源：作者AI生成）

得益于金剛石的超高硬度和卓越的化學穩(wěn)定性，存儲在金剛石光盤中的數(shù)據(jù)極為穩(wěn)定。即使在高達200℃的環(huán)境下，金剛石中數(shù)據(jù)的存儲壽命可超過百年。同時，該存儲方式無需任何維護不需要溫濕度控制等，并且?guī)缀醪幌哪芰俊?/p>

為了實現(xiàn)高密度和高可靠性的存儲，研究人員發(fā)展了基于飛秒脈沖加工的快速高精度三維缺陷制備技術(shù)。約200飛秒脈沖即可完成存儲單元的制備，信息寫入精度高于99.9%，已達到藍光光盤的國家標準。目前，存儲單元的尺寸已縮小至69nm，這個尺寸約為光波長的十二分之一，單元間隔約為1μm，存儲密度已達到Terabit/cm3量級，比藍光光盤的存儲密度提高了三個數(shù)量級。

為驗證這項技術(shù)的實際可行性，研究團隊成功將亨利·馬蒂斯的名畫《紅魚與貓》和埃德沃德·邁布里奇的經(jīng)典攝影作品《飛馳中的馬》等圖像存儲于鉆石中。測試結(jié)果令人驚艷：系統(tǒng)在存儲55,596比特數(shù)據(jù)時，達到了99.48%的保真度?？蒲腥藛T將世界上第一個計時攝影作品《飛馳中的馬》的不同幀數(shù)，通過三維堆疊存儲在金剛石中，并通過讀取形成的動畫效果。每一幀的動畫數(shù)據(jù)占用金剛石存儲的橫向尺寸為90×70平方微米。

金剛石光盤的寫-讀效果展示

（圖片來源：中國科學技術(shù)大學新聞網(wǎng)）

在未來，DNA有望成為存儲大量數(shù)據(jù)的介質(zhì)！

每個生物都有自己獨特的性狀，這些性狀信息都儲存在DNA（脫氧核糖核酸）中，DNA的分子結(jié)構(gòu)是雙螺旋，由四種堿基（腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、鳥嘌呤G、胞嘧啶C）按照特定順序排列而成。每個堿基可以看作一個“字母”，由這些字母組成的序列本質(zhì)上是一種編碼，可以用來存儲信息。例如，將A和T分別表示為“0”，G和C表示為“1”，就可以將二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為堿基序列。

序列的線性排列：DNA鏈中的堿基可以被視為信息存儲單元，通過特定的排列方式構(gòu)成完整的信息。DNA作為存儲介質(zhì)具有極其高的存儲密度，理論上，1克DNA能夠存儲約215PB（千兆字節(jié)）的數(shù)據(jù)，大多數(shù)筆記本電腦的硬盤容量約為1TB，215PB相當于22萬臺筆記本電腦的存儲總量，遠遠超過傳統(tǒng)存儲介質(zhì)的存儲容量。

DNA存儲的優(yōu)勢在于其極小的體積和長期的穩(wěn)定性，DNA分子可以在適當?shù)臈l件下保存數(shù)千年而不受損。盡管目前面臨著寫入、讀取和存儲效率等挑戰(zhàn)，特別是合成和測序的高成本和較慢的速度，但隨著生物技術(shù)、基因合成技術(shù)和合成生物學的不斷進步，DNA存儲有望成為未來大數(shù)據(jù)存儲的重要方式，特別適用于需要極高存儲密度和長期保存的數(shù)據(jù)存儲場景。

總結(jié)

隨著數(shù)據(jù)存儲需求的持續(xù)增長，傳統(tǒng)存儲技術(shù)面臨著瓶頸和挑戰(zhàn)，尤其是在存儲密度、速度、穩(wěn)定性以及能源效率等方面。我國科學家通過創(chuàng)新性地利用金剛石的發(fā)光點缺陷，成功突破了光學存儲技術(shù)的多項難題，提出了基于金剛石的四維信息存儲技術(shù)，展示了其在高密度、長壽命和高效讀寫方面的巨大潛力。

金剛石光盤不僅能在高溫環(huán)境下保持數(shù)據(jù)穩(wěn)定，還能在無需任何維護的情況下長期保存數(shù)據(jù)，堪稱綠色高容量信息存儲的未來解決方案。

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