近日，国际调研机构Gartner公布2021年第三季度全球存储市场报告显示，三季度全球存储市场销售额349亿元，同比增长2.9%。产品层面，传统存储市场萎缩，全闪存储、分布式存储等新存储市场增长强劲。随着全球数字经济加速发展，大数据、人工智能、区块链等新技术与实体经济加速融合，新形态存储产品将迎来高速发展。

数字经济已成为新时代建设现代化经济体系的重要动力。中国科学院科技战略咨询研究院发布报告称，随着社会经济各领域数字化建设的推进，数据存储需求呈现指数级增长，数据中心、5G等新型基础设施为数字经济发展提供基础保障的同时，也产生了高能耗、高成本问题。构建以电存储、磁存储和光存储为重要支柱的数据存储体系，对保障我国数字经济安全高效发展具有重要意义。

从存储产业整体来看，围绕存储介质主要分三类：磁存储、电存储和光存储。在海量的大数据中，大部分数据属于冷数据，即在3个月之后访问频次极低。采用常规的、硬盘存储和半导体存储的方式存储此类数据，大幅度增加了数据中心的能耗水平。由于机械硬盘的寿命通常为5年，数据的长期存储还会因不断更新存储介质而大幅度提高成本和安全风险。

“目前主流的电存储、磁存储面临严重的高能耗与高成本发展瓶颈。光存储虽然读写速度相对较慢，但具有低成本、高安全性、绿色节能、存储寿命长等特点，可成为缓解温冷数据存储压力的重要方式。”中国科学院科技战略咨询研究院科技发展战略研究所副所长王晓明认为，利用光存储技术存储大规模温冷数据，并利用磁存储和电存储技术存储高频访问数据，构成高效率的数据存储体系，能够保证数据的完整性及规模性，实现数据的分类保存和高效读写，充分发挥不同类型数据的短期和长期价值。

从外部发展环境来看，我国在应用固态硬盘、磁硬盘、磁带、半导体等数据存储领域都面临“卡脖子”问题，亟须构筑存储领域发展长板。王晓明表示，当前我国在电存储和磁存储领域尚不具备国际竞争优势，特别是磁盘存储市场被美国和日本企业垄断。当前全球光存储技术及产业尚未进入成熟期，我国领军企业与研发机构有望与国际领先水平同步创新，甚至引领产业技术发展方向。

从技术路线来看，全息光存储被视为下一代光存储技术。紫晶存储董事长郑穆表示，全息光存储是一种高密度三维光存储技术，采用与传统二维存储完全不同的机理。与目前存储方式相比，全息光存储技术将提供超过TB（太字节）级的存储容量，能够满足更大数据量的存储需求，为数据的读取提供更快的速度。

记者了解到，在全息光存储领域，由于技术壁垒较高，入局企业相对较少，国外主要以松下、索尼等企业为主。国内以紫晶存储为代表的企业正引领全息光存储技术和产业化发展，紫晶存储通过自主研发以及与研究院所合作，在核心基础技术、感光材料、全息光存储光盘结构及格式、多轴伺服平台方案以及高识别度算法等关键环节上，逐渐形成自主可控的全息光存储产业链布局。

目前，包括光存储技术在内的中国自主新兴信息技术的应用部署相对有限，仍需国家、行业、企业与用户共同发力，推动产业迭代升级。王晓明建议，在光存储领域，进一步加大相关研究专项对光存储技术的支持，开展全息、蓝光、多维等光存储前沿技术的研发。设立光存储工程化开发中上游材料、设备等科研专项群，给予研发资助及优惠政策，鼓励有能力的企业参与上游关键材料、基础设备及软件的研发。进一步完善和优化光存储技术创新环境，加强技术专利保护力度。

我国政府对存储技术的进步极为关注，“十四五”国家重点研发计划“信息光子技术”重点专项中提出，研究PB级超低功耗纳米光存储技术，实现10纳米以下分辨率的超分辨记录与读取，实现单张标准光盘1PB的容量，实现单比特10fJ的读写能耗。预计到2025年，全球数据存储市场规模将达到1160亿美元以上，在政策的推动下，我国纳米光存储行业拥有巨大发展空间。

大数据带来的存储挑战

随着大数据技术的广泛应用，数据的战略地位越发显著，美国将数据称为“未来的新石油”，中国政府也将数据称为“21世纪的钻石矿”。国务院印发的《促进大数据发展行动纲要》中明确指出，信息技术与经济社会的交汇融合引发了数据迅猛增长，数据已成为国家基础性战略资源。

在2019年IDC发布的《数字化世界—从边缘到核心》报告中显示，随着联网人口的增长和视频监控基础设施的激增，中国的数据空间预计在未来7年平均增长30%，到2025年将成为所有地区最大的数据空间。2018年，中国共产生7.6千兆字节(zettabyte)数据，到2025年，这个数字将增长到486千兆字节。如此海量的数据，将对未来中国数据存储技术提出全新的挑战。

能耗挑战：传统磁电数据存储模式以传统硬盘(磁盘)，固态硬盘，磁带作为存储介质，需要消耗大量的电力资源维持设备的运转。2017年，中国数据中心的总耗电量1200-1300亿千瓦时，已经超过了三峡大坝和葛洲坝电厂2017年发电量之和，而这个数据在2025年将达到3842.2亿千瓦时。数据存储带来的能耗与二氧化碳排放，是大数据产业发展无法回避的挑战。

安全挑战：传统磁电数据存储介质具备可读写的特点，数据可以被主动改写，也可能受到电磁干扰而被破坏，在存储期内存在失效的可能。同时因为其采用的存储介质特性，其数据存储的可靠时间仅为数年，需要每隔几年就进行数据迁移。数据迁移会带来额外的物资浪费，而且在迁移过程中还要面临数据损坏、数据丢失、数据篡改等安全为题。

而且在互联网时代，大数据海量增长的情况下，有80%以上的数据在存储之后都会变为冷数据。对这些数据来讲，需要更安全、更经济、更高效的方式来进行存储。光存储成为了这些数据最好的归宿。

光存储最适合存储温冷数据。

光存储是由光盘表面的介质影响的，光盘上有凹凸不平的小坑，光照射到上面有不同的反射，再转化为0、1的数字信号就成了光存储，这也使光存储具有了不被篡改的特性，可以长期稳定保存重要数据，比传统的电磁介质更加安全可靠。同时，光存储能过实现比电磁存储更高的存储密度，用更小的空间来实现对海量数据的安全存储。另外，目前存储光盘的记录层已经开始采用无机合金材料，具备极强的抗氧化性，能够抵抗极端环境，使用寿命可长达50年以上，经久耐用，同时能耗更低。

2018年，传统磁电存储巨头IBM发布《2025企业级存储》报告认为，在未来海量数据存储时代，传统的数据中心存储架构将面临压力，光存储数据存储系统在可靠性方面具备优势。

近几年，光存储在国内外应用领域加大，在国内也在逐步落地，紫晶存储便是其中的中坚力量。紫晶存储作为光存储行业的领军者，是国内唯一具有自主知识产权、能产业化生产应用于商业大数据存储、档案级的蓝光存储光盘的企业，已能够实现光存储介质核心技术自主可控。目前，紫晶存储已经获得专利技术20多项，80多项软件著作权，参与8项国家、行业及地方标准编制。紫晶存储“冷热数据分层存储”解决方案，利用强大的软件功能和全产业链整合的光存储技术，解决方案支持海量数据的高可靠、低成本、长寿命、绿色环保的存储需求。通过采用光存储解决方案，能够使数据存储的总成本节约50%，主存空间节约60%，电耗节约70%。

但是光存储技术，依然存在很多潜能被发现和挖掘。

全息光存储是光存储的未来

全息光存储(Holographic Optical Storage)是全息术在数据存储中的一个重要应用，它利用全息技术在三维空间中写入数据，突破了传统存储技术的密度限制，能将现有的光存储密度提升几个数量级。

早在1948年，通过研究光的干涉理论提出了全息术的概念。到20世纪60年代，科学家能获得优质的相干光源，全息技术进入快速发展阶段。1963年Van Heerden正式提出了全息存储这一概念，并将全息存储归于三维固态光存储。到1966年，贝尔实验室通过使用铌酸锂经历进行激光倍频实验时，意外发现光折变效应，从而将其作为记录介质用于全息数据的记录中。而后由于更多全息材料的发现，更多的全息存储方式和复用技术得以验证和发展，主要在同轴和离轴两个发展方向。

离轴全息的信号光和参考光成一定角度在感光介质上叠加干涉形成全息图，其优点是两束光分离，可以通过改变角度进行角度复用和交叉复用;缺点是由于两束光分离，抗震能力较弱。而同轴全息则将同心的环形参考光和柱形信号光通过同一个物镜聚焦到全息介质上形成干涉。其优点是两束光共轴，可减弱振动带来的影响。但是比较明显的缺点是无法使用角度相关的复用技术，存储密度难以进一步提升。

超中科大团队将光存储时间提升至1小时

中科大李传锋、周宗权课题组，一直致力于基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储实验研究，为此他们瞄准了掺铕硅酸钇晶体（Eu3+:Y2SiO5）。

周宗权告诉 DeepTech：“本次光储存方案的关键之一就是材料的选择，掺镨硅酸钇晶体的极限只能做到 1 分钟，掺铕硅酸钇晶体其实是能够做到一个月的。”

而选择掺铕硅酸钇晶体的原因之一，也是因为关注到了澳大利亚国立大学团队在 2015 年做出的成果，澳洲团队在一阶塞曼效应为零（ZEFOZ）磁场下，观察到掺铕硅酸钇晶体的核自旋相干寿命可以达到 6 小时。但是，他们并未对该材料的能级结构，做出正确和完整的分析、也没有实现光存储。

同样在 2015 年，周宗权所在团队开始自研一台光学拉曼外差探测核磁共振谱仪，基于掺铕硅酸钇晶体的核磁共振数据，他们精确刻画出掺铕硅酸钇晶体光学跃迁的完整哈密顿量，并于 2018 年在理论上预测了 ZEFOZ 磁场下的能级结构，接着又首次实验测定了、掺铕硅酸钇晶体在 ZEFOZ 磁场下的完整能级结构。

有了能级结构，就有了攻克光量子存储这一 “堡垒” 的地图。能级之间的能量变化正好能够有指向性地对应一些特定频率的光，知晓能级结构则是控制光信息的导入和导出的第一步。

在此基础上，本次团队结合了原子频率梳（AFC）量子存储方案和 ZEFOZ 技术，攻克了光信号的长寿命存储难题。其中原子频率梳技术，可以认为是一项极其精确的操控原子的技术，可用于捕捉光信号。

周宗权表示：“原子频率梳技术是目前唯一一种能够在稀土离子掺杂晶体中成功实现长寿命光量子存储的方案。”

经历一系列的自旋保护脉冲操作后，最终可读取出光信号，总存储时间长达 1 小时。值得一提的是，其中用作保护和延长存储寿命的是基于射频（RF）信号的动态解耦（Dynamical Decoupling）技术实现的。

虽然是最后一个环节，但是也是相当重要，周宗权告诉 DeepTech：“在晶体中有很多镱原子，其核自旋在不停翻转，它们就构成了晶体内部的扰动磁场，会使得这个铕离子的核自旋退相干。所以我们基于前人的成果，在这里加入了一个周期性的翻转信号，让这个扰动磁场的效果在整体积分层面上来看消失。”

简单来说，就是在外部加入了翻转信号来减少背景噪声对于信号的影响，从而延长光量子存储的寿命。

最后，研究小组将光信号读出，实验证实在经历了 1 个小时存储后，光的位相存储保真度高达 96.4 ± 2.5%，这说明该装置具有极强的相干光存储能力以及用于量子态存储的潜力。

周宗权表示，论文发布后，国际学术界还提出了一些意外的新应用场景，比如在甚长基线干涉仪的天文望远镜中，可以利用量子 U 盘运输光场来扩大干涉仪的尺寸，从而大幅地提高光学望远镜的分辨率。

即将研发量子 U 盘原型机

对于可能的应用，他说：“沿着远程量子通信这条路走下去，那么就只有两个方向，量子中继和量子 U 盘。”

具体而言，如果在量子中继卫星上部署光量子存储技术，一小时的存储时间足以让一个卫星从西半球覆盖到东半球，形成全球范围的覆盖。

量子 U 盘则是量子技术中出现的专属存储方式，拥有着基于量子力学原理的安全性，就像是一个有高级密钥的 U 盘。

谈及未来发展，周宗权告诉 DeepTech：“对于卫星而言，一小时的存储时间是足够长的。但是，地面上的话，高铁一小时也只能跑 200——300 公里，这还远远不够，如何拓展光存储时间和制作量子 U 盘原型机也是接下来我们专注研究的方向。”

相比普通 U 盘，量子 U 盘不用担心数据被人窃取，更不用担心丢失，即便不小心丢了也只是丢了一个 U 盘外壳而已，里面的数据不会被任何人窃取。

下一步，他计划先在实验室研发出量子 U 盘原型机，未来期望能真正走向实用。

文章来源：电鳗快报，DeepTech深科技，经济日报