怎樣才能更好地保存信息

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現在人類每天制造2.5×1016字節的龐大數據，絕大多數轉瞬即逝，但也有不少信息，我們希望能一直保存下去，留給后代。

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

把圖書館裝進火柴盒

把一個圖書館的信息，裝進一個硬盤中。這首先歸功于二進制的信息編碼方式，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

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

磁帶和機械硬盤就是利用無數個微小的“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讀寫。

機械硬盤（左）與固態硬盤內部結構（右）

讀取更快的固態硬盤和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）的微觀結構，后者的信息密度更

光盤則是利用載體的光學特性來記錄信息的——反射光的區域定義為1，不反射則定義為0。刻錄光盤時，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，這些不反射光的區域就是“0”。

還能更小？

知道了信息存儲原理，你就會發現縮小信息載體大小的關鍵在于如何縮小編碼0或1，即1字節的基本單元。

1951年的磁帶機比洗衣機還笨重，其中的金屬磁帶每厘米只能存儲50字節信息，存一首MP3歌曲需要1噸重的機身。現在一張SD卡能存儲上百GB的信息。

1951年的磁帶機（左）和SD卡（右）

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

納米尺度的硬盤上用氯原子編碼了物理學家理查德·費曼的一段話

2018年，科學家通過改變單個鈷原子的磁性（改變繞核電子的運動方式），來編碼數據。這將使硬盤的體積縮小到現在的千分之一。可惜這需要使用掃描隧道顯微鏡在超真空和超低溫環境下工作，門檻高得不切實際。

把信息存儲載體變小，我們已經做到接近極致了，但在另一方面——信息保存期限上，這些高科技設備甚至還不如傳統信息存儲載體。普通機械硬盤壽命3到5年，光盤10到25年，閃存設備包括U盤和固態硬盤則會隨著讀寫次數的增加，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科技前沿的巨頭依然會使用磁帶備份重要數據。書籍更是可以保存數個世紀。

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，近年來科學家們已經取得了一些進展，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光盤被用于人類數據備份計劃（Arch Mission Foundation）

2013年，英國南安普頓大學的科學家用飛秒激光在玻璃盤的三維空間結構中打出一系列極小的點，將300KB的信息存儲在其中。如今他們已經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據，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，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，石英玻璃材質和表面的聚合物保護層使它對化學和物理傷害都具有很強的防御力。研究者基于實驗結果認為，它在室溫下的保存時間幾乎是無限的，即使是在189℃的高溫環境中，也能活到宇宙現在的年齡（138億年）！

目前，微軟、日立還在致力于發展這項技術。

活著的移動硬盤

其實論存儲信息的本領，任何載體都不及構成我們的細胞，更準確地說是DNA。生物體內的DNA可是通過復制和重組，從遠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！

用二進制編碼堿基

大自然早已為我們準備好了最佳信息存儲載體。科學家們嘗試主動在DNA中編寫信息。他們將A、T、C、G堿基以二進制編碼，然后將數字化的文字信息翻譯成堿基序列，再合成DNA序列，就實現了數字信息與生物信息之間的轉化。只要測個序，就能解讀出其中的信息。

但裸露的DNA相當脆弱，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，結果依然完好無損。

不僅是文字，科學家已經成功地將電影編碼進人工合成的DNA，而且理論上能夠將人類有史以來拍攝的所有電影全都塞進一個小小的DNA人造化石中。

然而，這樣保存DNA并沒有完全體現出它的優勢——可遺傳性。

雖然我們能通過PCR技術人工復制數以萬計的DNA，但手動備份肯定不如主動備份及時省事，而且細菌等微生物的繁殖速度驚人，即使出現DNA突變，科學家也能用算法矯正信息。

原始畫面和從細菌DNA中解析出的畫面

哈佛大學在2017年已成功利用CRISPR-cas9基因編輯技術將一部短片編碼到了大腸桿菌的基因組中，制造出了“細菌硬盤”，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熬過極端環境，甚至進入太空，告訴這個宇宙——人類曾無比璀璨地存在過。

（本文經授權轉載自“把科學帶回家”微信公眾號，有刪節）