Китайские исследователи представили голографическую систему хранения данных, использующую три измерения света
Исследователи из Китая представили голографическую систему хранения данных, которая использует сразу несколько свойств света — амплитуду, фазу и поляризацию — для записи и считывания информации в трех измерениях. Эта разработка открывает путь к значительному увеличению плотности хранения данных по сравнению с традиционными методами.
Работа, выполненная под руководством Сяоди Тана, профессора Университета Фуцзянь, предлагает новый способ упаковки значительно большего объема информации в том же физическом пространстве. В основе технологии лежит голографическое хранение данных — передовой оптический метод, использующий лазерный свет для записи цифровой информации внутри материала. В отличие от жестких дисков или оптических дисков, где данные хранятся на поверхности, здесь запись идет за счет перекрывающихся световых паттернов по всему объему материала, что обеспечивает более высокую плотность записи и скорость передачи данных.
Ключевым нововведением стало использование поляризации в качестве независимого информационного измерения. «Основываясь на принципах поляризационной голографии, мы использовали архитектуру глубокого обучения, известную как модель сверточной нейронной сети, чтобы использовать поляризацию в качестве независимого измерения информации», — пояснил Тан. Ранее большинство голографических систем полагались лишь на одно или два измерения света, а интеграция поляризации в качестве третьего канала была затруднена из-за сложностей с сохранением и декодированием данных.
Чтобы решить эту проблему, команда усовершенствовала метод, называемый тензорной поляризационной голографией. Этот подход позволяет сохранять состояния поляризации при реконструкции данных, делая их стабильным и независимым измерением для кодирования. Исследователи создали схему трехмерной модуляции, управляя интенсивностью и фазой двух ортогональных поляризационных состояний с помощью двойного фазового голографического метода. Это позволило использовать единственный фазовый пространственный модулятор света для кодирования амплитуды, фазы и поляризации одновременно.
Для практической реализации системы ученые разработали свёрточную нейронную сеть, способную декодировать все световые свойства одновременно, используя только снятые с системы изображения интенсивности света. Поскольку обычные датчики регистрируют только интенсивность света, нейросеть обучали распознавать дифракционные паттерны — один снимок делался с поляризатором, а другой без него. Такой подход позволяет системе реконструировать полные трехмерные данные без проведения сложных измерений.
Команда подтвердила свою теорию, создав компактную установку для записи и считывания оптического поля в поляризационно-чувствительной среде. Полученные изображения анализировались для извлечения амплитудных, фазовых и поляризационных характеристик, после чего передавались в нейронную сеть. «В целом наши результаты показали, что многомерное совместное кодирование значительно увеличивает объем информации, переносимой одной голографической страницей данных, тем самым повышая емкость хранилища», — подчеркнул профессор Тан.
По словам исследователя, одновременное декодирование на основе нейронной сети исключает необходимость в сложных поэтапных измерениях, обеспечивая более быстрое считывание и эффективную расшифровку. Это, в свою очередь, открывает путь к созданию практичных высокоёмких и высокопроизводительных голографических накопителей.
Профессор Тан считает, что многомерное голографическое хранение данных может позволить уменьшить размеры дата-центров, улучшить возможности крупномасштабного архивирования, а также повысить эффективность обработки и передачи информации. Помимо этого, технология может найти применение в области безопасной передачи данных, оптического шифрования и передовой визуализации. Хотя система пока находится на исследовательской стадии, команда планирует увеличить количество уровней серого для кодирования, чтобы повысить ёмкость, улучшить стабильность и однородность записывающей среды, а также внедрить объемное мультиплексирование для многостраничной и многоканальной записи.
Результаты исследования в журнале Optica.