Cercetători dezvoltă stocare holografică 3D alimentată prin AI care codifică informația în lumină

Sursa foto: Sciencedaily

O nouă abordare pentru stocarea datelor folosind toate proprietățile luminii

Un grup internațional de cercetători a prezentat o metodă inovatoare de stocare a datelor care exploatează trei dimensiuni optice ale luminii — amplitudinea, faza și polarizarea — pentru a încorpora informație în volumul unui material. Spre deosebire de sistemele de stocare tradiționale, care inscriptează date pe suprafețe plane precum discuri optice sau hard disk-uri, această tehnică holografică plasează multiple pagini de date sub forma unor tipare de lumină suprapuse în interiorul materialului, sporind considerabil densitatea informației și oferind potențial pentru transferuri de date mai rapide.

Principiul și inovația tehnică

Echipa de cercetare, condusă de Xiaodi Tan de la Fujian Normal University din China, a pornit de la ideea că, deși lumina dispune de mai multe proprietăți ce pot transporta informație, utilizarea lor combinate a fost limitată practic. În sistemele holografice convenționale, codarea datelor folosește, de regulă, o singură dimensiune a luminii, precum amplitudinea sau faza, sau cel mult o combinație a două dintre acestea. Cercetătorii au aplicat principiile holografiei polarizate bazate pe tensor pentru a păstra starea de polarizare în timpul reconstrucției și astfel a transforma polarizarea într-un canal de informație independent și fiabil.

Pentru a realiza codarea multidimensională în volum, echipa a proiectat o strategie de modulare 3D. Prin ajustarea intensității și fazei a două stări de polarizare perpendiculare și prin utilizarea unei tehnici cu hologramă dublă-fază, cercetătorii au reușit să folosească un singur modulator spațial de lumină care operează doar pe fază pentru a încorpora simultan amplitudinea, faza și polarizarea în câmpul optic. Această combinație permite să fie generate pagini de date în formă de imagini optice complexe, fiecare purtând informație pe trei canale independente.

Avantajele stocării holografice multidimensionale

Rezultatele obținute indică faptul că codarea comună multidimensională crește substanțial cantitatea de informație ce poate fi purtată de o singură pagină holografică. În practică, aceasta înseamnă o densitate de stocare mult mai mare în același volum fizic și posibilitatea unei citiri/parcurgeri a datelor mult mai eficiente. De asemenea, implementarea acestei scheme reduce nevoia de a efectua măsurători complexe sau reconstrucții pas cu pas pentru a obţine datele stocate, o cerință care a reprezentat înainte un obstacol major pentru aplicarea comercială a holografiei în domeniul stocării.

Decodare asistată de inteligență artificială

Un punct esențial al abordării este utilizarea unei arhitecturi de învățare profundă pentru a recupera simultan amplitudinea, faza și polarizarea din imagini de intensitate de difracție. Deoarece senzorii convenționali măsoară, în mod tipic, doar intensitatea luminii și nu pot detecta direct faza sau polarizarea, echipa a combinat teoria holografiei polarizate bazate pe tensor cu o rețea neuronală convoluțională antrenată pentru a reconstitui cele trei componente ale câmpului optic plecând exclusiv de la imagini de intensitate.

Modelul de inteligență artificială este instruit folosind două imagini complementare de difracție: una capturată cu un polarizator vertical și una fără polarizator. Analizând diferențele și tiparele din aceste două imagini, rețeaua învață să asocieze semnături specifice cu amplitudinea, faza și polarizarea din câmpul optic codificat. Prin această metodă, decodarea devine un proces sincronizat, capabil să recupereze toate componentele relevante dintr-o singură citire de intensitate, ceea ce contribuie la creșterea debitului de citire și reduce complexitatea hardware-ului necesar la extragerea datelor.

Sistem experimental și rezultate inițiale

Cercetătorii au construit un sistem compact capabil să înregistreze și să reconstruiască câmpul optic codificat în interiorul unui material sensibil la polarizare. În timpul testelor, imaginile de intensitate au fost analizate pentru a detecta semnăturile aferente amplitudinii, fazei și polarizării; aceste semnături au fost apoi folosite ca intrări pentru rețeaua neuronală, permițând reconstrucția tridimensională completă a paginilor de date folosind măsurători bazate exclusiv pe intensitate.

Concluziile experimentale au arătat că această codare comună multidimensională mărește semnificativ informația purtată de o singură pagină holografică și că decodarea sincronică asistată de rețeaua neuronală scade necesitatea unor măsurători elaborate. Aceste constatări indică un posibil drum practic către soluții de stocare holografică cu capacitate mare și debit ridicat.

Aplicații potențiale ale tehnologiei

Echipa subliniază numeroase aplicații care ar putea beneficia de pe urma dezvoltării și comercializării acestei tehnologii: centre de date mai compacte, soluții de arhivare la scară mare mai eficiente, îmbunătățirea vitezei și eficienței transmisiei datelor, precum și domenii conexe precum transmiterea sigură a datelor, criptarea optică și imagistica avansată. Toate aceste aplicații reies din capacitatea de a înmagazina mai multă informație în același spațiu și din posibilitatea de a extrage datele rapid și eficient.

Provocări rămase și pași următori

Cercetătorii recunosc că tehnologia încă se află într-o fază de cercetare și că sunt necesare dezvoltări suplimentare înainte de utilizarea comercială. Printre direcțiile viitoare indicate se numără creșterea numărului de niveluri de nuanță (gray levels) folosite la codare pentru a mări în continuare capacitatea de stocare, precum și îmbunătățirea stabilității pe termen lung, a uniformității și a repetabilității materialelor folosite pentru înregistrare.

O altă direcție importantă este integrarea acestei metode cu tehnici de multiplexare holografică volumetrică, ceea ce ar permite stocarea simultană a mai multor pagini și canale de date într-un singur volum. În același timp, consolidarea integrării dintre hardware-ul optic și algoritmii de decodare va fi esențială pentru a asigura o recuperare a datelor mai rapidă și mai fiabilă în condiții reale de funcționare.

Contextul științific și publicația

Lucrarea care descrie aceste rezultate a fost publicată în revista Optica, jurnalul ediției Optica Publishing Group dedicat cercetărilor cu impact ridicat. Referința completă a studiului este: Ruixian Chen, Jinyu Wang, Hao Wu, Minghui Song, Yi Yang, Dakui Lin, Xiaodi Tan. „Encoding and decoding of multidimensional optical field modulation in holographic data storage.” Optica, 2026; 13 (4): 591, DOI: 10.1364/OPTICA.586593.

Articolul a fost anunțat pe 29 martie 2026, iar materialul de prezentare al cercetării a fost pus la dispoziție de Optica. Pentru detalii suplimentare privind comunicatul inițial, se poate consulta secțiunea de știri a Optica la adresa oficială a instituției Optica Newsroom, iar lucrarea științifică este accesibilă prin DOI la 10.1364/OPTICA.586593.

Importanța pentru viitorul stocării datelor

Pe măsură ce volumul global de date continuă să crească exponențial, căutarea unor soluții care oferă densitate mai mare și eficiență energetică devine critică. Autorii studiului argumentează că stocarea holografică multidimensională, combinată cu algoritmi moderni de învățare automată, ar putea oferi o alternativă viabilă la tehnologiile actuale, în special pentru aplicații de arhivare pe termen lung și pentru centre de date care au nevoie de performanțe mari într-un spațiu redus.

În plus, integrarea polarizării ca un canal independent de informație deschide perspective noi nu doar pentru stocare, ci și pentru metode de transmitere a datelor și pentru protocoale de criptare optică care pot profita de multiplexarea pe mai multe proprietăți ale luminii.

Pe termen scurt, provocările practice, precum îmbunătățirea materialelor sensibile la polarizare, creșterea numărului de niveluri de codare și optimizarea interoperabilității între componentele optice și cele de procesare, vor dicta ritmul tranziției de la laborator la aplicații comerciale. Totuși, demonstrațiile realizate indică capacitatea acestei abordări de a redefini modul în care gândim stocarea la scară mare în viitorul apropiat.