用钻石做光盘，可存储数据数百年！未来甚至有望诞生“DNA硬盘”

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作者：Denovo团队

监制：中国科普博览

编者按：为了解前沿科技动态，前沿科技项目推出“带你读懂科学顶刊”系列文章，精选(xuǎn)权(quán)威(wēi)期(qī)刊(kān)的(de)优(yōu)秀(xiù)论(lùn)文，第(dì)一(yī)时(shí)间(jiān)用(yòng)通(tōng)俗(sú)语(yǔ)言(yán)进(jìn)行(xíng)解(jiě)读(dú)。让(ràng)我(wǒ)们(men)透(tòu)过(guò)顶(dǐng)刊(kān)之(zhī)窗(chuāng)，拓(tà)宽(kuān)科(kē)学(xué)视(shì)野(yě)，享(xiǎng)受(shòu)科(kē)学乐趣。

还记(jì)得(de)小(xiǎo)时(shí)候刻录的CD光盘吗？那是我(wǒ)们(men)“收(shōu)藏(cáng)(cáng)”青(qīng)春(chūn)的神器，保存着那些年听不腻的歌和看不够的照片。然而，如果用的是普通的刻录光盘，或者长期放在高温潮湿的环境中，几年后可能已经无法读(dú)取(qǔ)，变(biàn)成(chéng)了(le)一(yī)张(zhāng)“沉(chén)默(mò)的(de)光(guāng)盘(pán)”。相(xiāng)比(bǐ)之(zhī)下(xià)，现(xiàn)在(zài)科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)正(zhèng)探(tàn)索(suǒ)用(yòng)钻(zuān)石(shí)来(lái)制(zhì)作(zuò)“永(yǒng)恒(héng)光(guāng)盘(pán)”，不(bù)仅能承受高温(wēn)、抗(kàng)腐蚀，还能稳稳保存几百年，甚至(zhì)无(wú)需任何维护。

更令人惊叹的是，未来甚至有望出现“DNA硬盘”，让你可以把海量数据藏在一根头发丝的空间里！这听起来像是科幻故事，但其实已经成为科学研究的前沿领域。

大数据时代已然来临

（图片来源：作者AI生成）

数据存储的本质是什么？

所有的数据，无论它最初是什么形式，如文字、图片、音频或者视频等，都需要通过一种编码方式被转化为计算机可以处理的数字信号。这些编码是标准化的，以确保计算机能够正确解码和重构这些信息。我们接下来看看常见的(de)这(zhè)几(jǐ)种(zhǒng)数(shù)据(jù)是(shì)如(rú)何(hé)储(chǔ)存(cún)的(de)。

大(dà)量(liàng)的(de)数(shù)据(jù)

（图(tú)(tú)片(piàn)(piàn)来(lái)(lái)源(yuán)(yuán)：pixabay.com）

首(shǒu)(shǒu)先(xiān)(xiān)就(jiù)(jiù)是(shì)(shì)文字(zì)(zì)信(xìn)息(xi)，例(lì)如(rú)，ASCII或(huò)Unicode编(biān)码(mǎ)将(jiāng)字(zì)符(fú)映(yìng)射(shè)为(wèi)特(tè)定(dìng)的(de)二(èr)进(jìn)制(zhì)数(shù)。比(bǐ)如(rú)字(zì)母(mǔ)“A”在(zài)ASCII中(zhōng)被(bèi)编(biān)码(mǎ)为(wèi)二(èr)进(jìn)制(zhì)数(shù)“01000001”。

图(tú)片(piàn)则(zé)是(shì)通(tōng)过(guò)像(xiàng)素(sù)的(de)颜(yán)(yán)色(sè)(sè)和(hé)(hé)亮(liàng)(liàng)度(dù)值(zhí)来(lái)表(biǎo)示(shì)的(de)，这(zhè)些(xiē)值(zhí)最(zuì)终(zhōng)被(bèi)编(biān)码(mǎ)为(wèi)二(èr)进(jìn)制(zhì)数(shù)。每(měi)个(gè)像(xiàng)素(sù)的(de)颜(yán)色(sè)通(tōng)常(cháng)由(yóu)红绿蓝（RGB）三个值表示，每个值都可以通过一定的二进制数值来表示。

音频数据通过如采样和量化的数字化过程将声音信号转换为(wèi)数(shù)字(zì)信(xìn)息，最终转化为二进制数据。视频则是由一帧帧图像即静态图片和音频组成的，这些图像和音频信息同样以二进制编码方式存储。

无论数据的原始形式如何，最终都会被转换为二进制形式存储。二进制的1和0代表了计算机能够理解的电信号状态，如开关、电压高低、磁性状态等。

目前人类有哪些手段实现对1和0的表示、记录与读取

数字1和0是计算机语言的基础，存储介质如硬盘、光盘等，通过物理或电子方式实现对这些二进制数据的存储。

硬盘通过在旋转的磁盘表面上记录磁性信号来存储数据。磁盘表面涂有能够响应磁场的磁性物质，当磁盘在高速旋转时，读写磁头(tóu)通(tōng)过改变磁性物质的磁极方向来表示二进制数据（0或1）。每个磁性区域的状态代表一个数据单元。

硬盘

（图片来源：pixabay.com）

当硬盘写入数据时，读写头会改变磁盘表面磁性材料的磁极方向，代表二进制的0或1。当硬盘读取数据时，磁头感应到磁盘表面材料的磁性变化，并将其转化为电信号，再经过处理得到所需的数据。

磁性存储的优点是容量大、成本低，但缺点是速度较慢且容易受物理冲击损坏。

半导体存储介质（如固态硬盘SSD）不使用机械部件，而是通过闪存芯片，通常是NAND闪存存储数据。NAND闪存由许多存储单元组成，这些单元通过电子方式存储数据。每个存储单元可以存储电荷，通过存储的电荷的有无来表示0和1。

固态硬盘SSD

（图片来源：Veer图库）

SSD通过改变存储单元中的电荷来写入数据。每个存(cún)储(chǔ)单(dān)元(yuán)由(yóu)浮(fú)动(dòng)栅(zhà)极(jí)晶(jīng)体(tǐ)管(guǎn)组(zǔ)成(chéng)，可(kě)以(yǐ)在(zài)不(bù)同(tóng)的(de)电(diàn)压(yā)下(xià)存(cún)储(chǔ)电(diàn)荷(hé)。SSD通(tōng)过(guò)检(jiǎn)测(cè)每(měi)个(gè)存(cún)储(chǔ)单(dān)元(yuán)的(de)电(diàn)荷(hé)状(zhuàng)态(tài)，来(lái)判(pàn)断(duàn)存(cún)储(chǔ)的(de)是(shì)0还是1。

SSD的优势在于速度更快、耐用性好、抗震性强，但成本相对较高，且存储单元有有限的写入次数。

光学存储介质，如光盘，是利用激光技术来存储和读取数据。在光盘表面，数据是以微小的凹坑（pits）和平滑区域（lands）的形式记录的。这些凹坑和区域交替排列，形成数字信号。

光盘

（图片来源：pixabay.com）

在可写光盘如CD或DVD中，激光会加热光盘表面，改变某些区域的物(wù)理(lǐ)形(xíng)态(tài)，使(shǐ)其(qí)形(xíng)成(chéng)凹(āo)坑(kēng)，从(cóng)而(ér)记(jì)录(lù)数(shù)据(jù)。在(zài)读(dú)取(qǔ)过(guò)程(chéng)中(zhōng)，激(jī)光(guāng)束(shù)照(zhào)射(shè)到(dào)光(guāng)盘(pán)表(biǎo)面(miàn)，光(guāng)的(de)反(fǎn)射(shè)变(biàn)化(huà)，也(yě)就(jiù)是(shì)坑(kēng)与(yǔ)平(píng)面(miàn)区(qū)域的(de)不(bù)同(tóng)反(fǎn)射(shè)会(huì)被(bèi)传(chuán)感(gǎn)器(qì)检(jiǎn)测(cè)到(dào)，进(jìn)而(ér)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)数(shù)字(zì)信(xìn)号(hào)。

光(guāng)学(xué)存(cún)储(chǔ)的(de)优(yōu)点(diǎn)是(shì)能(néng)够(gòu)提(tí)供(gōng)较(jiào)为(wèi)廉(lián)价(jià)且(qiě)持(chí)久(jiǔ)的(de)数(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ)方(fāng)式(shì)，广(guǎng)泛(fàn)应(yīng)用于数据备份和分发，但其读取速度和存储容量较低。

钻石居然也可以储存数据

通过精确制备纳米材料光源，并调控光信号的强度、波长、偏振(zhèn)等(děng)多维度特性，光学存储技术近年来已成为实现高密度存储的重要发展路径之一。

然而，纳米材料的稳定性差、信息读写速度较慢、误差较大以及高能耗等问题，使得光学存储技术在向实际应用转化过程中面临巨大的挑战。

中国科学院微观(guān)磁(cí)共(gòng)振(zhèn)重(zhòng)点(diǎn)实(shí)验(yàn)室(shì)的(de)杜(dù)江(jiāng)峰(fēng)等(děng)科(kē)学(xué)家(jiā)在(zài)光(guāng)学(xué)信(xìn)息(xi)存(cún)储(chǔ)领(lǐng)域取(qǔ)得(de)了(le)重(zhòng)要(yào)进(jìn)展(zhǎn)，提(tí)出(chū)并(bìng)发(fā)展(zhǎn)了(le)基(jī)于(yú)金(jīn)刚(gāng)石(shí)发(fā)光(guāng)点(diǎn)缺陷的四维信息存储技术，具备高密度、超长免维护寿命、快速读写等面向实际应用的关键特性。这一技术有望为应对“数据大爆炸”时代对新一代绿色高容量信息存储的迫切需求提供解决方案。相关研究成果于11月27日在线发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）上。

图：（a）金刚石信息存储概念图;（b）多次读出后荧光信号的稳定性表征;（c）高密度堆叠下信息存储单元扫描成像结果。

（图片来(lái)源(yuán)：参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)1）

我(wǒ)国(guó)科(kē)学(xué)家(jiā)创(chuàng)新(xīn)性(xìng)地(de)利(lì)用(yòng)金(jīn)刚(gāng)石(shí)中(zhōng)一(yī)种(zhǒng)可(kě)精(jīng)确(què)人(rén)工(gōng)制(zhì)备(bèi)的(de)发(fā)光(guāng)点(diǎn)缺(quē)陷(xiàn)，成(chéng)功(gōng)解(jiě)决(jué)了(le)光(guāng)学(xué)存(cún)储(chǔ)技(jì)术(shù)一(yī)系(xì)列(liè)挑(tiāo)战(zhàn)。简(jiǎn)单(dān)来(lái)说，金刚石是由碳原子以高度规则的方式排列成晶格结构，每个碳原子通过强大的共价键与其他四个碳原子连接，形成坚固的晶体结构。然而，外部条件如高温、高压或辐射等可能导致部分碳原子被从原有位置移位，形成一种叫做弗兰克尔缺陷的缺陷。研究发现，金刚石中的原子尺度弗兰克尔缺陷具有稳定的发光特性，可以精确调节其发光亮度用于数据编码，因此成为理想的信息存储单元。

通过钻石储存数据

（图片来源：作者AI生成）

得益于金刚石的超高硬度和卓越的化学稳定性，存储在金刚石光盘中的数据极为稳定。即使在高达200℃的环境下，金刚石中数据的存储寿命可超过百年。同时，该存储方式无需任何维护不需要温湿度控制等，并且几乎不消耗能量。

为了实现高密度和高可靠性的存储，研究人员发展了基于飞秒脉冲加工的快速高精度三维缺陷制备技术。约200飞秒脉冲即可完成存储单元的制备，信息写入精度高于99.9%，已达到蓝光光盘的国家标准。目前，存储单元的尺寸已缩小至69nm，这个尺寸约为光波长的十二分之一，单元间隔约为1μm，存储密度已达到Terabit/cm³量级，比蓝光光盘的(de)存(cún)储(chǔ)密(mì)度(dù)提(tí)高(gāo)了(le)三(sān)个(gè)数量级。

为验证这项技术的实际可行性，研究团队成功将亨利·马蒂斯的名画《红鱼与猫》和埃德沃德·迈布里奇的经典摄影作品《飞驰中的马》等图像存储于钻石中。测试结果(guǒ)令人惊艳：系统在存储55,596比特数据时，达到了99.48%的保真度。科研人员将世界上第一个计时摄影作品《飞驰中的马》的不同帧数，通过三(sān)维(wéi)堆(duī)叠(dié)存(cún)储(chǔ)在(zài)金(jīn)刚(gāng)石(shí)中(zhōng)，并(bìng)通(tōng)过(guò)读(dú)取(qǔ)形(xíng)成(chéng)的(de)动(dòng)画(huà)效(xiào)果(guǒ)。每(měi)一(yī)帧(zhèng)的(de)动(dòng)画(huà)数(shù)据(jù)占(zhàn)用(yòng)金(jīn)刚(gāng)石(shí)存(cún)储(chǔ)的(de)横(héng)向(xiàng)尺(chǐ)寸(cùn)为(wèi)90×70平(píng)方微米。

金刚石光盘(pán)的(de)写(xiě)-读(dú)效(xiào)果(guǒ)展(zhǎn)示

（图片来源：中国科学技术大学新闻网）

在未来，DNA有望成为存储大量数据的介质！

每个生物都有自己独特的性状，这些性状信息都储存在DNA（脱氧核糖核酸）中，DNA的分子结构是双螺旋，由四种碱基（腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、鸟嘌呤G、胞嘧啶C）按照特定顺序排列而成。每个碱基可以看作一个“字母”，由这些字母组成(chéng)的(de)序(xù)列(liè)本(běn)质上是一种编码，可以用来存储(chǔ)信(xìn)息。例如，将A和T分别表示为“0”，G和C表示为“1”，就可以将二进制数据转化为碱基序列。

序列的线性排列：DNA链中的碱基可以被视为信(xìn)息(xi)存(cún)储(chǔ)单(dān)元(yuán)，通过特定的排列方式构成完整的信息。DNA作为存储介质具有极其高的存储密度，理论上，1克DNA能够存储约215PB（千兆字节）的数据，大多数笔记本电脑的硬盘容量约为1TB，215PB相当于22万台笔记本电脑的存储总量，远远超过传统存储介质的存储容量。

DNA存储的优势在于其极小的体积和长期的稳定性，DNA分子可以在适当的条件下保存数千年而不受损。尽管目前面临着写入、读取和存储效率等挑战(zhàn)，特(tè)别(bié)是(shì)合(hé)成(chéng)和(hé)测(cè)序(xù)的(de)高(gāo)成(chéng)本(běn)和(hé)较(jiào)慢(màn)的(de)速(sù)度(dù)，但(dàn)随(suí)着(zhe)生(shēng)物(wù)技(jì)术(shù)、基(jī)因(yīn)合(hé)成(chéng)技(jì)术(shù)和(hé)合(hé)成(chéng)生(shēng)物(wù)学(xué)的(de)不(bù)断(duàn)进(jìn)步(bù)(bù)，DNA存(cún)(cún)储(chǔ)(chǔ)有(yǒu)(yǒu)望(wàng)(wàng)成(chéng)(chéng)为(wèi)(wèi)未(wèi)(wèi)来(lái)(lái)大(dà)(dà)数(shù)(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ)的(de)重(zhòng)要(yào)方(fāng)式(shì)，特(tè)别(bié)适(shì)用(yòng)于(yú)需(xū)要(yào)极(jí)高(gāo)存(cún)储(chǔ)密(mì)度(dù)和(hé)长(zhǎng)期(qī)保(bǎo)存(cún)的(de)数(shù)据存储场景。

总(zǒng)结(jié)

随(suí)着数据存储需求的持续增长，传统存储技术面临着瓶颈和挑战，尤其是在存储密度、速度、稳定性以及能源效率等方面。我国科学家通过创新性地利用金刚石的发光点缺陷，成功突破了光学存储技术的多项难题，提出了基于金刚石的四维信息存储技术，展示了其在高密度、长寿命和高效读写方面的巨大潜力。

金刚石光盘不仅能在高温环境下保持数据稳定，还能在无需任何维护的情况下长期保存数据，堪(kān)称(chēng)绿色高容量信息存储的未来解决方案。

参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)：

1. Zhou, Jingyang, et al. "Terabit-scale high-fidelity diamond data storage." Nature Photonics (2024): 1-8.

2. Ceze, Luis, Jeff Nivala, and Karin Strauss. "Molecular digital data storage using DNA." Nature Reviews Genetics 20.8 (2019): 456-466.

3. Doricchi, Andrea, et al. "Emerging approaches to DNA data storage: challenges and prospects." ACS nano 16.11 (2022): 17552-17571.

4. Hao, Yaya, et al. "Data storage based on DNA." Small Structures 2.2 (2021): 2000046.

5. Dhomkar, Siddharth, et al. "Long-term data storage in diamond." Science advances 2.10 (2016): e1600911.

6. Casiraghi, Cinzia, John Robertson, and Andrea C. Ferrari. "Diamond-like carbon for data and beer storage." Materials today 10.1-2 (2007): 44-53.

7. Siddiqa, Aisha, Ahmad Karim, and Abdullah Gani. "Big data storage technologies: a survey." Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering 18 (2017): 1040-1070.