如何将你的照片存储1000年?哈佛大学最新研究:用这个

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· 10月15日

不仅快,还“保真”。

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如何将你的照片存储1000年?哈佛大学最新研究:用这个

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文 | 学术头条,作者 | 吴婷婷,编辑 | 寇建超

在计算机技术飞速发展、数字生态日新月异的今天,数据存储技术变得愈发重要。

然而当前,用于数据存储的设备,比如光学介质、磁介质和闪存,使用寿命通常不到 20 年,并且还需要消耗大量能量来维护。

一直以来,尽管科学家们始终在探索以高密度和无电的方式来存储信息的其他方法,比如 DNA 分子或其他聚合物,但这些方法也会受到相对成本高和读写速度慢等因素的限制。

那么,有没有一种更好的方法呢?

近日,哈佛大学化学与化学生物系 George Whitesides 教授团队及其合作者,就开发了一种全新且原理简单的光学分子存储方法。他们使用荧光染料分子编码二进制信息,成功将各类文字、图像信息写入并读取出来,读/写速度分别可以达到 128 bits/s 和 469 bits/s,甚至可以读写视频或其他任何可以数字存储的信息。

同时,比起传统存储技术,该方法还具有存储密度高、存储寿命长(理论上可达数千年或更久)、成本可接受等优点。

相关研究论文以“Storing and Reading Information in Mixtures of Fluorescent Molecules ”为题,已发表在科学期刊 ACS Central Science 上。

研究人员表示,这种光学分子技术并不要求对分子内部的结构或序列进行复杂编码,非常简单易懂,也为存储能耗、成本和抗消耗能力等新兴分子信息存储技术面临的重要问题提供了解决方案。

不仅快,还“保真”

当前,用于存储数字信息的技术多种多样,包括光盘、闪存和驱动硬盘等,但其工作寿命大约只有几十年。另一种可行的方法是将信息存储在一些分子中,例如 DNA——受大自然将各种复杂的生物遗传信息存储在 DNA 中的启发,科学家尝试人工创造类似的分子,以有目的地存储数字信息。

这样的方法在理论上具有非常高的存储密度,而且无需能耗维护;更妙的是,根据科学家推断,可以存储信息数千年乃至更久。然而,这些分子系统也存在劣势:读/写速度不够快,多次读取容易造成信息损失,成本较高,以及尺寸缩小导致噪声增加。

因此,为解决分子存储技术存在的问题,Whitesides 等人开创性地使用荧光分子来将目标信息编码成二进制并存储,并使用荧光显微镜来读取信息。使用这种方法,他们成功在一块小至 7.2 mm^2 的基板上存储了约 14KB 的数字信息,文本和图像均可存入,空间信息密度高达 271.5 bytes/mm^2。

图|团队使用喷墨打印机成功将信息存储在很小的树脂基板上,而电脑程序能够放大看到其上各染料的点状分布(动图素材来源:YouTube)

此外,通过重复读取信息 1000 次以上,研究团队发现荧光信号强度的损失较少(低于 20%),且每次都能成功读取。

而在读写速度方面,研究团队也取得了不菲的成绩——在使用喷墨打印机将荧光分子写入信息时,速度可以达到 16 bytes/s。同时,只需要简单判别某处有无荧光染料分子,就可以读取对应的二进制信息。因此,该方法能够并行多通道读取信息,速度达到 58.6 bytes/s。

图 | 用该技术将“电学之父”法拉第的图像(3.95KB)转换成为荧光染料图案,并存储在4.2mm^2 大小的环氧树脂基底上,打印错误率只有 0.4%(来源:该论文)

因此,这种方法能够以可接受的成本实现高密度、快速读/写的信息存储技术,以及对单个分子集的多次读取而不丢失信息,可以说很好地解决了一直以来分子存储技术中存在的问题。

荧光分子如何编码数字信息?

实际上,此次的技术是一种基于数据磁带(Write Once Read Many,WORM)的分子信息存储方法,不能重复写入且不允许修改,但可以重复读取。

首先,研究人员选择了 7 种可在不同波长发光的荧光染料分子,这些染料都很容易买到。他们使用染料来分别标记 ACSII 码的每一位,如果染料存在则代表“1”,反之则代表“0”。

图|荧光分子对文本信息“Arts”进行二进制编码和打印成像示意图(来源:该论文)

接下来,该团队使用喷墨打印机将染料混合物根据信息编码打印在环氧树脂表面的小点中,环氧树脂基底中含有活性氨基,会与染料发生反应并形成稳定的共价键,从而固定住染料分子并防止后续读取时有过高损耗。

然后,他们使用配备有多通道荧光检测器的荧光显微镜,读取每个点上染料分子的发射光谱并解码信息。这样一来,该检测器可以同时且互不干扰地分辨出基底上任意点的染料信息组合,计算机程序再将二进制码还原为图像/文本,读取过程随即完成。

图 | 荧光显微镜读取基板上某点的染料颜色,分析出对应信息示意图(来源:论文)

研究人员表示,以这种方式存储的数据可以在数千年内保持可读。另外,它还不容易受到水的破坏、不能被远程黑客攻击、不会受到现有存储系统的尺寸限制,并且它的存储不需要任何能源。

数字信息存储技术盘点

从古至今,信息存储从最传统原始的书籍文字演变至今天的数字信息,一路变迁,如今仍在广泛应用的数字信息存储技术有哪些?

硬盘:采用磁介质的数据存储设备,希捷(Seagate)在 1980 年生产了第一款 5.25 英寸硬盘(HDD),同年 IBM 推出的第一款 1 GB 硬盘则是个庞然大物,重达 550 磅。到了今天,1T 硬盘都不再新鲜,科学家们一直在努力突破磁介质技术,以提高硬盘密度、扩充容量、降低能耗。

光盘:1960 年代,一位名叫 James T. Russel 的发明家致力于将光作为一种机制来记录并重播音乐。直到 1975 年,索尼出资完成该项目,生产出 CD 和 DVD。

闪存:2000 年末问世,采用电子式可清除程序化只读存储器的形式,允许在操作中被多次擦或写的非易失性存储器。主要用于手持式移动设备,例如存储卡、U 盘等。

数据孤岛与数据湖:大数据的有用来源,以原始格式存储数据,并允许处理这些数据,其用户可以通过互联网访问大部分信息。

云数据存储:互联网基于云服务器进行数据存储与传输,云本质上为用户提供了无限量的存储空间,同时需要加密和身份验证。

分子存储:利用 DNA、蛋白质等分子内部结构原理对信息进行存储。2019 年,同样是来自哈佛大学的一个研究团队开发出一种基于寡肽的分子存储技术,当时的数据写入和读取的平均速率分别为 8 bit/s 和 20 bit/s。值得一提的是,该团队正是来自 George Whitesides 实验室。

参考资料:

  • https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/10/harvard-researchers-use-dyes-to-store-data/
  • https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.1c00728
  • https://www.youtube.com/watch?v=EHg2Li52qUI
  • https://gmwgroup.harvard.edu/
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