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”

出品：科普中国

作者：Denovo团队

监制：中国科普博览

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还记得小时候刻录的CD光盘吗？那是我们“收藏”青春的神器，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取，变成了一张“沉默的光盘”。相比之下，现在科学家们正探索用钻石来制作“永恒光盘”，不仅能承受高温、抗腐蚀，还能稳稳保存几百年，甚至无需任何维护。

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这几种数据是如何储存的。

大量的数据

（图片来源：pixabay.com）

首先就是文字信息，例如，ASCII或Unicode编码将字符映射为特定的二进制数。比如字母“A”在ASCII中被编码为二进制数“01000001”。

图片则是通过像素的颜色和亮度值来表示的，这些值最终被编码为二进制数。每个像素的颜色通常由红绿蓝（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数字信息，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，读写磁头通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。每个存储单元由浮动栅极晶体管组成，可以在不同的电压下存储电荷。SSD通过检测每个存储单元的电荷状态，来判断存储的是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，改变某些区域的物理形态，使其形成凹坑，从而记录数据。在读取过程中，激光束照射到光盘表面，光的反射变化，也就是坑与平面区域的不同反射会被传感器检测到，进而转化为数字信号。

光学存储的优点是能够提供较为廉价且持久的数据存储方式，广泛应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、偏振等多维度特性，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。

中国科学院微观磁共振重点实验室的杜江峰等科学家在光学信息存储领域取得了重要进展，提出并发展了基于金刚石发光点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。

（图片来源：参考文献1）

我国科学家创新性地利用金刚石中一种可精确人工制备的发光点缺陷，成功解决了光学存储技术一系列挑战。简单来说，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，比蓝光光盘的存储密度提高了三个数量级。

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，通过三维堆叠存储在金刚石中，并通过读取形成的动画效果。每一帧的动画数据占用金刚石存储的横向尺寸为90×70平方微米。

金刚石光盘的写-读效果展示

（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”，由这些字母组成的序列本质上是一种编码，可以用来存储信息。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息存储单元，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，特别是合成和测序的高成本和较慢的速度，但随着生物技术、基因合成技术和合成生物学的不断进步，DNA存储有望成为未来大数据存储的重要方式，特别适用于需要极高存储密度和长期保存的数据存储场景。

总结

随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，堪称绿色高容量信息存储的未来解决方案。

参考文献：

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.

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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.