博文

[资料，随笔] 用玻璃来存储数据（冷数据 cold data）：从刘慈欣老师的《三体》说起

已有 165 次阅读 2026-2-5 21:51 |个人分类:资料与科普|系统分类:科普集锦

[资料，随笔] 用玻璃来存储数据（冷数据 cold data）：从刘慈欣老师的《三体》说起

sphotonix-ceo-ilya-kazansky-with-a-5d-memory-crystal.jpg

图1 SPhotonix CEO, Ilya Kazansky, with a 5D Memory Crystal | SPhotonix

sphotonix-ceo-ilya-kazansky-with-a-5d-memory-crystal.webp

https://assets.bizclikmedia.net/1336/9a2afa7f3d2c6fbfafba721de005f2ed:4ca2769129894b7a78594d8d06ce25cc/sphotonix-ceo-ilya-kazansky-with-a-5d-memory-crystal.webp

5D存储晶体

一、爱因斯坦：严格地说，想象力是科学研究中的实在因素

It is, strictly speaking, a real factor in scientific research.

想象力比知识更重要。

提出一个问题往往比解决问题更重要，因为解决问题也许仅仅是数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度看旧的问题，都需要有创造性的想象力。

物理给我知识，艺术给我想象力，知识是有限的，而艺术所开拓的想象力是无限的。

物理学家的最高使命是得到那些普遍的基本定律，由此世界体系就能用单纯的演绎法建立起来。要通向这些定律，没有逻辑推理的途径，只有通过建立在经验的同感的理解之上的那种直觉。

二、《三体III：死神永生》里刘慈欣（留慈心）老师的想象

现代的量子存储器，就是那种一粒米大小可以放下一个大型图书馆的东西，里面的信息最多只能保存两千年左右，两千年后因为内部的什么衰变就不能读取了。

科学家发现，要论信息保存的时间，咱们那个时候的存储器还好些，他们找了些公元世纪的U盘和硬盘，有些居然还能读出来。据实验，这些存储器如果质量好，可以把信息保存五千年左右；特别是我们那时的光盘，如果用特殊金属材料制造，能可靠地保存信息十万年。但这些都不如印刷品，质量好的印刷品，用特殊的合成纸张和油墨，二十万年后仍能阅读。但这就到头了，就是说，我们通常用来存储信息的手段，最多只能把信息可靠地保存二十万年。而他们要存十亿年！

基于现代科学在各个学科最先进的理论和技术，根据大量的理论研究和实验的结果，通过对大量方案的综合分析和比较，他们已经得出了把信息保存一亿年左右的方法，他们强调，这是目前已知的唯一可行的方法，它就是——”罗辑把拐杖高举过头，白发长须舞动着，看上去像分开红海的摩西，庄严地喊道，“把字刻在石头上！”

三、《三体》里“阶梯计划”的创新思路

把落后的技术以先进的方式组合起来，试图产生貌似超越时代的能力。

历史上的“火龙出水”、“连发弩”；《三体》里的“阶梯计划”，都是这个思路。

实际上，现在用“玻璃存贮数据”，以及 2000年出现的“浸入式光刻技术 immersion lithography technology”等，都是这思路。

参考资料：

[1] 科普中国，2025-06-09，数据方舟——玻璃多维存储器

https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?business_type=100&classify=0&ar_id=607024

玻璃多维存储器（Glass-based Multidimensional Optical Storage）是一种利用超快激光脉冲在特种玻璃内部诱导微纳结构变化，从而实现高密度、长期稳定数据存储的前沿技术。它通过调控激光焦点位置，在玻璃三维空间内写入数据，并结合多种光学维度（如光强、偏振方向、折射率变化等）进行“五维编码”，显著提升单位体积的信息容量。该技术具备耐高温、抗腐蚀、理论寿命可达数百万年以上的特点，被誉为“永不丢失的数据方舟”。代表性的研究包括英国南安普顿大学开发的“五维光学数据存储”技术。

[2] 科普中国，2025-11-16，玻璃存储真能解决海量冷数据的“万年保存”难题吗？

https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?business_type=100&classify=0&ar_id=651601

在众多新技术中，一种看似低调却前景广阔的方案正崭露头角——玻璃存储。它利用飞秒激光在石英玻璃内部刻写微纳结构，实现超高密度、超长寿命的数据保存，被业界誉为“写一次、保存万年”的冷数据归档新路径。

玻璃存储的核心技术原理是利用飞秒激光在石英玻璃内部进行雕刻，形成叫做体素的微纳结构单元。体素可视为三维空间中的像素，不仅具有明确的空间坐标（X, Y, Z），还能通过激光调控其内部结构的方向性和光学特性，从而在同一个体素中承载多个比特的信息。

写入过程中，飞秒激光以极短的脉冲宽度（约10⁻¹⁵秒）聚焦于玻璃内部，在不破坏材料整体结构的前提下，诱导出局部永久性的纳米级变化。这些体素在玻璃块中可被精确排列为不同层级和角度，实现极高密度的信息存储。单个体素可携带约3 bit 信息，整体理论容量可达百TB 级/英寸³，远超蓝光盘、磁带等传统冷存储介质。

更重要的是，玻璃本身极其稳定，对高温、水浸、电磁脉冲等极端环境具有天然防护能力，实现万年以上寿命几乎没有衰减，是面向未来海量冷数据归档的理想介质。凭借写一次、永久保存的特性，玻璃存储被视作未来数字资产安全与绿色管理的重要基础设施。

[3] 科普中国，2026-01-14，5D玻璃存储技术开启商用数据存入玻璃，“保鲜期”可达138亿年

https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?business_type=100&classify=0&ar_id=668241

在玻璃中写“立体日记”

5D玻璃存储，听着高深，其实就是用激光在玻璃里“刻字”。

科研人员需要用超短脉冲激光，在透明的石英玻璃内部写入微小结构。

这些结构不只分布在玻璃的长、宽、高三个维度，还能通过纳米结构的大小和朝向，改变光线的偏振特性。

多出来的这两个维度，加上原本的空间三维，便形成了更为稳定的5D数据编码。

5D玻璃存储介质是一块比指甲盖大一点的高纯度熔融石英玻璃，核心成分是高纯度二氧化硅。

如果用显微镜放大看，会发现玻璃内部有无数个由激光“雕刻”出的纳米小点——每个小点都承载着数据信息。

跟我们平时用的U盘、硬盘不一样，5D玻璃存储不是在材料表面存信息，而是在玻璃内部“搭立体迷宫”。

[4] 央视网，2017-08-19 09:52，固体还是液体？玻璃的身份至今悬而未决

https://news.cctv.com/2017/08/19/ARTIu94M3eDfZhuXkzC5ECs2170819.shtml

8月15日，中国科学院物理研究所汪卫华院士在接受科技日报记者采访时说：“实际上，玻璃是原子运动得很慢的液体。液体的原子不停地在动，但玻璃里面的原子移动极其缓慢，要比一般液体中原子运动慢20—30个量级。”为了说明一般液体中原子运动速度与玻璃中原子运动速度的巨大差距，汪卫华做了一个形象的比喻：“原子在一般液体中移动的速度比火箭还要快，而在玻璃中运动的速度比蜗牛还要慢。”

美国科学家菲利普·吉布斯在刊登于加州大学河滨分校数学系主页上的《玻璃是固体还是液体？》一文中也指出，从分子动力学和热力学的某些角度来说，玻璃可以看成是高黏度的液体，是无定形固体，或是既不是液体也不是固体的另一态。

[5] So much more to know … [ED/OL], Scence, 2005, 309(5731): 78-102. 1 Jul 2005. ALL 125 questions

DOI: 10.1126/science.309.5731.78b

https://www.science.org/doi/10.1126/science.309.5731.78b

https://www.science.org/toc/science/309/5731

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1384393.html

What is the nature of the glassy state?

Molecules in a glass are arranged much like those in liquids but are more tightly packed. Where and why does liquid end and glass begin?

玻璃态的性质是什么？

玻璃中的分子排列方式与液体中的分子非常相似，但排列得更紧密。液体在哪里结束，玻璃在哪里开始？

[6] 世界科学，2023-11-02，玻谲璃奇的物理学：十亿年尺度上的液体

https://worldscience.cn/c/2023-11-02/643025.shtml