怎樣才能更好地保存信息

Mirror

現(xiàn)在人類每天制造2.5×1016字節(jié)的龐大數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)轉(zhuǎn)瞬即逝，但也有不少信息，我們希望能一直保存下去，留給后代。

從遠(yuǎn)古的壁畫、傳統(tǒng)的紙張書籍，到近代的磁帶、膠卷，再到現(xiàn)代的光盤、硬盤、U盤。信息的載體變得越來越輕巧，容量越來越大，而且能存儲的數(shù)據(jù)也更多樣化。但在時間面前它們安全嗎？

把圖書館裝進(jìn)火柴盒

把一個圖書館的信息，裝進(jìn)一個硬盤中。這首先歸功于二進(jìn)制的信息編碼方式，無論是文字、圖像還是聲音，都可以用0和1的無限組合來編碼。

磁化信息原理示意圖

電子設(shè)備通過電流變化來識別信息。電場的變化會產(chǎn)生磁場，反之亦然，并且方向可控。利用電磁感應(yīng)，我們就可以改變磁性載體組成單元（磁疇）的磁極方向，相應(yīng)地定義為0和1。

磁帶和機(jī)械硬盤就是利用無數(shù)個微小的“磁鐵”來編碼信息的。磁化和去磁化的過程是可逆的，因此這類磁存儲載體可以反復(fù)讀寫。

機(jī)械硬盤（左）與固態(tài)硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)（右）

讀取更快的固態(tài)硬盤和U盤，是通過載體的每個單元是否存在電子來定義0和1的。

CD（左）和DVD（右）的微觀結(jié)構(gòu)，后者的信息密度更

光盤則是利用載體的光學(xué)特性來記錄信息的——反射光的區(qū)域定義為1，不反射則定義為0?？啼浌獗P時，激光燒掉刻錄光盤部分單元格上的反光材料，露出底下的吸光材料，這些不反射光的區(qū)域就是“0”。

還能更?。?/h3>

知道了信息存儲原理，你就會發(fā)現(xiàn)縮小信息載體大小的關(guān)鍵在于如何縮小編碼0或1，即1字節(jié)的基本單元。

1951年的磁帶機(jī)比洗衣機(jī)還笨重，其中的金屬磁帶每厘米只能存儲50字節(jié)信息，存一首MP3歌曲需要1噸重的機(jī)身。現(xiàn)在一張SD卡能存儲上百GB的信息。

1951年的磁帶機(jī)（左）和SD卡（右）

但科學(xué)家并不會止步于此，實(shí)驗(yàn)室中的信息存儲單元大小幾乎已經(jīng)逼近極限——單原子水平。2016年，荷蘭科學(xué)家以單個氯原子為基本單元編碼數(shù)據(jù)（有氯原子的位置是“1”，沒有是“0”），成功存儲了1KB數(shù)據(jù)。理論上，這樣可在一枚郵票大小的面積上存儲60TB數(shù)據(jù)。

納米尺度的硬盤上用氯原子編碼了物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼的一段話

2018年，科學(xué)家通過改變單個鈷原子的磁性（改變繞核電子的運(yùn)動方式），來編碼數(shù)據(jù)。這將使硬盤的體積縮小到現(xiàn)在的千分之一?？上н@需要使用掃描隧道顯微鏡在超真空和超低溫環(huán)境下工作，門檻高得不切實(shí)際。

把信息存儲載體變小，我們已經(jīng)做到接近極致了，但在另一方面——信息保存期限上，這些高科技設(shè)備甚至還不如傳統(tǒng)信息存儲載體。普通機(jī)械硬盤壽命3到5年，光盤10到25年，閃存設(shè)備包括U盤和固態(tài)硬盤則會隨著讀寫次數(shù)的增加，慢慢患上“失憶癥”。而看似被時代拋棄的磁帶在理想條件下卻能保存30到50年，因此像谷歌這樣引領(lǐng)科技前沿的巨頭依然會使用磁帶備份重要數(shù)據(jù)。書籍更是可以保存數(shù)個世紀(jì)。

在掃描隧道顯微鏡下用探針處理單個原子的模擬圖

為了兼顧載體的信息存儲容量和信息保存期限，近年來科學(xué)家們已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，只不過還不完善，下面這兩種方式或許能成為保存人類文明的希望。

5D光盤打開新維度

刻錄下書籍的5D光盤需要顯微鏡閱讀

5D光盤的多維信息處理

2018年，5D光盤被用于人類數(shù)據(jù)備份計(jì)劃（Arch Mission Foundation）

2013年，英國南安普頓大學(xué)的科學(xué)家用飛秒激光在玻璃盤的三維空間結(jié)構(gòu)中打出一系列極小的點(diǎn)，將300KB的信息存儲在其中。如今他們已經(jīng)把這種玻璃盤的信息存儲能力提升到了300TB！

既然5D光盤和普通光盤一樣，都是用激光來刻錄數(shù)據(jù)，那它又有什么特別之處？普通光盤記錄信息只是“流于表面”，即只有二維水平，而這個“5D光盤”聽起來雖然和“5D電影”一樣有噱頭之嫌，但至少它的確能在立體空間維度（3D）記錄信息。剩下兩個維度，一個指的是觀察的角度，另一個是顯微鏡的放大率。在5D光盤中，從納米級別的微觀水平到直觀肉眼可見的宏觀水平都記錄了信息，觀察者通過不同角度和不同放大倍數(shù)，可以從中讀取出不同信息。

5D光盤最可貴之處在于它的耐久性，石英玻璃材質(zhì)和表面的聚合物保護(hù)層使它對化學(xué)和物理傷害都具有很強(qiáng)的防御力。研究者基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，它在室溫下的保存時間幾乎是無限的，即使是在189℃的高溫環(huán)境中，也能活到宇宙現(xiàn)在的年齡（138億年）！

目前，微軟、日立還在致力于發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)。

活著的移動硬盤

其實(shí)論存儲信息的本領(lǐng)，任何載體都不及構(gòu)成我們的細(xì)胞，更準(zhǔn)確地說是DNA。生物體內(nèi)的DNA可是通過復(fù)制和重組，從遠(yuǎn)古一代又一代傳下來的。

DNA的信息存儲能力也毫不遜色——在肉眼完全看不到的細(xì)胞核中，帶有A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）、G（鳥嘌呤）四種不同堿基的脫氧核苷酸，以不同的順序排成DNA長鏈，編碼了生物體的一生。

以人體基因組為例，其中含有超過30億個堿基對，這一切都保存在直徑僅幾微米的細(xì)胞核中。要將這些A、T、C、G以正常字體大小寫在A4紙上，需要40層樓高的A4紙！

用二進(jìn)制編碼堿基

大自然早已為我們準(zhǔn)備好了最佳信息存儲載體?？茖W(xué)家們嘗試主動在DNA中編寫信息。他們將A、T、C、G堿基以二進(jìn)制編碼，然后將數(shù)字化的文字信息翻譯成堿基序列，再合成DNA序列，就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信息與生物信息之間的轉(zhuǎn)化。只要測個序，就能解讀出其中的信息。

但裸露的DNA相當(dāng)脆弱，于是研究者給它們穿上了二氧化硅外殼，制成人造化石，以達(dá)到長期保存的目的。他們讓這個人造化石在70℃的高溫中保存了一周，再讀取信息，結(jié)果依然完好無損。

不僅是文字，科學(xué)家已經(jīng)成功地將電影編碼進(jìn)人工合成的DNA，而且理論上能夠?qū)⑷祟愑惺芬詠砼臄z的所有電影全都塞進(jìn)一個小小的DNA人造化石中。

然而，這樣保存DNA并沒有完全體現(xiàn)出它的優(yōu)勢——可遺傳性。

雖然我們能通過PCR技術(shù)人工復(fù)制數(shù)以萬計(jì)的DNA，但手動備份肯定不如主動備份及時省事，而且細(xì)菌等微生物的繁殖速度驚人，即使出現(xiàn)DNA突變，科學(xué)家也能用算法矯正信息。

原始畫面和從細(xì)菌DNA中解析出的畫面

哈佛大學(xué)在2017年已成功利用CRISPR-cas9基因編輯技術(shù)將一部短片編碼到了大腸桿菌的基因組中，制造出了“細(xì)菌硬盤”，而且還能將信息遺傳給下一代。

即使有一天地球變得不再適宜人類生存，這些承載了人類文明的微生物還能以休眠狀態(tài)熬過極端環(huán)境，甚至進(jìn)入太空，告訴這個宇宙——人類曾無比璀璨地存在過。

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”微信公眾號，有刪節(jié)）